A cada segundo, 100 trilhões de neutrinos passam pelo corpo humano. Esses minúsculos, quase sem massa
Neutrinos são o nome geral para neutropartículas fundamentais com spin meio inteiro, participando apenas de interações fracas e gravitacionais e pertencentes à classe dos léptons. Atualmente, são conhecidos três tipos de neutrinos: os neutrinos do elétron, do múon e do tau, bem como suas correspondentes antipartículas.
Os neutrinos são produzidos em muitos processos, por exemplo,durante reações termonucleares no interior das estrelas e durante explosões de supernovas. O problema é que essas partículas são incrivelmente difíceis de detectar. Isso requer um detector único que possa detectá-los.
Onde os neutrinos são encontrados?
Construção do observatório de neutrinos IceCubeno Pólo Sul foi oficialmente concluída em 18 de dezembro de 2010. Foi desenvolvido para procurar neutrinos cósmicos de alta energia. O próprio detector consiste em 5.160 sensores ópticos – módulos ópticos digitais (DOMs) – colocados em um quilômetro cúbico de gelo da Antártica.
Como um neutrino se manifesta?
Quando um neutrino interage com uma molécula de gelo,as partículas carregadas secundárias resultantes emitem luz azul através de um processo conhecido como radiação Cherenkov. A luz então passa pelo gelo e pode atingir alguns DOMs. Como resultado, os pesquisadores reconstroem a energia e a direção da partícula. Este processo é baseado no conhecimento das propriedades ópticas do gelo. No entanto, uma vez que esta manifestação de neutrinos surpreendeu muito os cientistas.
A radiação Cherenkov é uma forma de energiaque pode ser observado como um brilho azul causado pelas partículas carregadas que constituem os átomos (elétrons e prótons) movendo-se em um determinado ambiente a velocidades superiores à velocidade da luz.
Fenômeno único
Em 2013, os funcionários da colaboração IceCubeobservaram um fenômeno único onde o brilho observado da fonte de luz dependia da direção da luz. O efeito é conhecido como anisotropia óptica do gelo. Até agora, os pesquisadores tentaram descrever a anisotropia usando variações na absorção e na dispersão causadas por impurezas, mas sem sucesso.
Anisotropia é a diferença nas propriedades de um meio em diferentesdireções dentro deste ambiente; em oposição à isotropia. No que diz respeito a algumas propriedades, o meio pode ser isotrópico e, no que diz respeito a outras, anisotrópico; o grau de anisotropia também pode variar.
Em um novo estudo publicadoNa revista The Cryosphere, a equipe do IceCube explicou isso. Descobriu-se que ele apareceu como resultado das propriedades birrefringentes dos cristais de gelo alongados, que curvam a luz em duas direções. Em outras palavras, sem birrefringência, a luz vem radialmente de uma fonte de luz isotrópica e, com refração dupla, desvia-se lentamente em direção ao eixo do “fluxo” de gelo.
Ilustração mostrando um recém-inauguradoefeito óptico: sem birrefringência (parte superior), a luz é emitida radialmente a partir de uma fonte de luz isotrópica. Com birrefringência (parte inferior), a luz é desviada lentamente em direção ao eixo da corrente de gelo.
Crédito: Colaboração Jack Pyrin/IceCube
Esta descoberta foi usada para criar um novomodelo óptico de gelo baseado em birrefringência - SpiceBFR. É usado na modelagem de detectores e já melhorou significativamente a interpretação dos padrões de luz que resultam da interação de partículas no gelo.
20 anos de pesquisa
O modelo óptico de gelo usado pela colaboração IceCube foi desenvolvido desde os primeiros dias do experimento AMANDA anterior.
Experimento AMANDA (Múon Antártico e Neutrino)Detector Array é uma matriz antártica de detectores de múons e neutrinos. Na verdade, este é um telescópio de neutrinos localizado sob a Estação Pólo Sul Amundsen-Scott. Em 2005, após nove anos de operação, a AMANDA tornou-se oficialmente parte do projeto sucessor, o observatório de neutrinos IceCube.
Por mais de 20 anos, os cientistas acrescentaram novas descobertasà compreensão conhecida do gelo, incluindo o desaparecimento de bolhas de ar presas em profundidades bem acima do detector e que, em profundidades, o manto de gelo do Pólo Sul contém o gelo mais puro do planeta.
Para melhorar as tentativas anteriores de descreveranisotropia, os colaboradores estudaram cuidadosamente esse efeito, descobrindo sua correlação com o profundo desenvolvimento das propriedades dos cristais de gelo. Isto levou os cientistas a acreditar que os muitos pequenos cristais selecionados aleatoriamente que constituem o gelo desempenham um papel na anisotropia observada.
O que os cientistas fizeram?
Para estudar física, eles fizeram simulações,que modelou os diferentes caminhos que a luz poderia seguir dentro do detector. Eles então compararam os dados simulados com um grande conjunto de dados de calibração retirado do IceCube.
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O conjunto de dados de calibração IceCube contémdados dos 60.000 LEDs com os quais todos os DOMs estão equipados. Estes, por sua vez, emitem pulsos sucessivos de luz no gelo e são então usados para calibrar as propriedades ópticas do gelo.
O que vem a seguir e por que é importante?
A comparação de indicadores ajudou os cientistas a fazerconclusão sobre a forma e o tamanho médios dos cristais de gelo dentro do IceCube. Esta nova e excitante descoberta incentiva a criação de novas simulações e a adaptação dos métodos de reconstrução atuais para dar conta do modelo SpiceBFR.
A descoberta não só ajudará o IceCube a melhorarinterações de neutrinos reconstruídas. A pesquisa tem implicações para o campo da glaciologia como um todo. Como observam os autores do novo trabalho, as propriedades dos cristais de gelo são estudadas, em particular, para compreender a mecânica do fluxo do gelo. Esses dados podem então ser usados para prever o balanço de massa da Antártica e o resultante aumento do nível do mar em um clima em mudança.
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Na capa: radiação Vavilov-Cerenkov no refrigerante do reator de pesquisa ATR do Laboratório Nacional de Idaho. Foto: Laboratório Nacional de Argonne