Físicos detectaram um neutrino extragaláctico com cerca de 30 vezes mais energia do que qualquer neutrino já registrado anteriormente, e pode ser a primeira observação de uma partícula rara gerada por interações com a luz mais antiga que podemos ver.
Um detector submerso na costa de Malta, no Mar Mediterrâneo, identificou o neutrino—um tipo de partícula elementar que viaja quase à velocidade da luz e raramente interage com outras matérias. A energia do neutrino sugere que ele veio de além da Via Láctea, e os físicos acreditam que fenômenos astrofísicos extremos ou interações raras entre a matéria e o fundo cósmico de micro-ondas— a luz visível mais antiga do universo— possam ser responsáveis. A pesquisa da equipe, descrevendo o neutrino, foi publicada hoje na Nature.
A detecção foi feita em 13 de fevereiro de 2023—há dois anos amanhã—mas levou tempo para a equipe analisar o evento e determinar a identidade da partícula e sua possível origem.
Neutrinos estão entre as partículas mais intrigantes do nosso universo, a ponto de governos estarem investindo bilhões de dólares em experimentos capazes de detectá-los. Um desses experimentos é o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), um projeto hospedado pelo Fermilab, a cerca de 1,6 km de profundidade no subsolo da Dakota do Sul.
O Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3NeT) foi o responsável pela nova detecção. O telescópio é composto por dois detectores de partículas situados nas profundezas do Mar Mediterrâneo—aproximadamente a 3.450 metros e 2.450 metros abaixo da superfície, respectivamente. Lá, módulos ópticos fixados no leito marinho detectam luz extremamente tênue produzida quando neutrinos interagem e criam partículas carregadas.
Detectores de neutrinos precisam ser grandes (note o “Cubic Kilometre” no nome do telescópio, equivalente a cerca de 1 km³) e isolados, por isso são colocados em locais remotos como subterrâneos profundos, no fundo do mar ou embutidos em calotas polares.
A equipe registrou um múon cruzando o detector em fevereiro de 2023, em um evento brilhante que ativou sinais em mais de um terço dos sensores do detector. Com base na trajetória da partícula e em sua energia, a equipe acredita que o múon foi derivado de um neutrino cósmico—em oposição a um neutrino atmosférico—interagindo próximo ao detector.
De acordo com os cálculos da equipe, o múon tinha uma energia de cerca de 120 petaelétron-volts (PeV). Um único PeV equivale a 1 quatrilhão de elétron-volts. Por mais energética que pareça, a energia do neutrino que gerou o múon é estimada em ainda mais: 220 PeV. Essa energia é equivalente à de uma bola de pingue-pongue sendo deixada cair de 1 metro de altura—mas concentrada em um único ponto de matéria. Com 220 PeV, a energia do neutrino é cerca de 30.000 vezes mais poderosa que a energia nominal dos prótons no Large Hadron Collider (LHC) do CERN, o acelerador de partículas mais potente da Terra.
“Tudo isso está contido em uma única partícula elementar pontual,” disse Paschal Coyle, porta-voz do experimento KM3NeT na época da detecção e pesquisador do Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)—Centre de Physique des Particules, em Marselha, durante uma coletiva de imprensa da Springer Nature realizada no início desta semana. “Isso é impressionante para nós.”
Para construir um LHC capaz de produzir essa partícula, seria necessário um acelerador que desse a volta na Terra na altitude dos satélites geoestacionários, explicou Coyle na coletiva.
Neutrinos são notoriamente difíceis de detectar. Segundo o Observatório de Neutrinos IceCube, cerca de 100 trilhões dessas partículas passam pelo seu corpo a cada segundo. Eles são a segunda partícula mais abundante do universo, depois dos fótons, mas, apesar de incrivelmente abundantes, são chamados de “partículas fantasma” porque quase nunca interagem com a matéria, tornando-os extremamente difíceis de detectar. No ano passado, dados do IceCube revelaram sete sinais candidatos de um tipo específico de neutrino—extraídos de quase 10 anos de dados do observatório, o que indica a dificuldade que os pesquisadores enfrentam para detectá-los. O resultado recente da equipe foi induzido por apenas um neutrino, embora a observação tenha sido feita quando o detector estava apenas 10% concluído, então a equipe está otimista de que mais detecções ocorrerão, fornecendo mais informações.
A equipe descobriu que o neutrino certamente veio de fora da nossa galáxia, mas, além disso, sua origem exata ainda é incerta. Sua fonte mais provável é ou cosmogênica—gerada através de interações entre raios cósmicos e fótons do fundo cósmico de micro-ondas, ou astrofísica—produzida em um fluxo de partículas emitido por um dos objetos mais energéticos do universo. Especificamente, a equipe nomeou 12 blazares, núcleos ativos de galáxias que emitem jatos de partículas subatômicas quase à velocidade da luz, que se alinham com a direção aproximada de onde o neutrino parece ter se originado.
“É incrível—existem esses objetos no universo que podem acelerar partículas a energias tão extremas, e ainda não entendemos totalmente como isso é feito,” acrescentou Coyle.
O coautor do estudo, Damien Dornic, também do CNRS, disse ao Gizmodo durante a coletiva de imprensa que a equipe está revisando dados de arquivo e solicitou novas observações para determinar se características de fontes astrofísicas indicam que o neutrino pode ter vindo de uma delas, em oposição a uma origem cosmogênica.
“No futuro, provavelmente reduziremos significativamente a margem de erro, mesmo para este evento,” explicou Aart Heijboer, físico do Instituto Nacional de Física Subatômica Nikhef, na Holanda, e coautor da pesquisa, ao Gizmodo durante a coletiva. “Se houver uma dessas fontes diretamente dentro da margem de erro, que será muito menor, isso será interessante.”
A observação foi feita com apenas 10% do detector final, observou Coyle, e mais eventos podem lançar luz sobre a energia, o espectro e a origem dos neutrinos cosmogênicos e daqueles que emanam de núcleos galácticos ativos.
Se for confirmado que o neutrino tem uma origem cosmogênica, a detecção da equipe será a primeira do tipo. O KM3NeT está atualmente em expansão, e novos resultados, esperançosamente, encontrarão novos eventos ou esclarecerão a natureza da notável observação de 2023.
