Noves pistes a la recerca de la font dels neutrins còsmics

Les fonts de neutrins còsmics d'alta energia que es van detectar a l'Observatori de Neutrins IceCube, enterrat al gel antàrtic, poden estar ocultes a les observacions de raigs gamma d'alta energia, segons revela una nova investigació. Aquests neutrins còsmics d'alta energia, que probablement procedeixen de més enllà de la Via Làctia, poden tenir l'origen en uns objectes increïblement densos i potents en l'espai, que eviten que s'escapin els raigs gamma d'alta energia que acompanyen a la producció dels neutrins. El passat 18 de febrer es va publicar una investigació que descriu la investigació en l'edició en línia anticipada de la revista Physical Review Letters.

Accelerador ocult de raigs còsmics Crèdit: Bill Saxton, modificat per Kohta Murase

"Els neutrins són una de les partícules fonamentals que formen el nostre univers", apunta Kohta Murase, professor adjunt de física i d'astronomia i astrofísica a la Universitat Estatal de Pennsylvania, i autor dels estudis. "Els neutrins d'alta energia es produeixen al costat dels raigs gamma mitjançant una radiació d'una energia extremadament alta coneguda com raigs còsmics, en objectes com galàxies en fase de formació estel·lar, forats negres supermassius, o esclats de raigs gamma. És important revelar l'origen d'aquests neutrins còsmics d'alta energia per comprendre millor el mecanisme físic subjacent que produeix els neutrins i altres astropartícules d'alta energia, i per permetre l'ús dels neutrins com una nova forma d'estudiar la física de partícules a l'univers".

Els neutrins són partícules neutres, per això no es veuen afectades per les forces electromagnètiques quan viatgen per l'espai. Els neutrins detectats aquí a la Terra tracen d'aquesta manera un camí directe cap a les seves llunyanes fonts astrofísiques. Addicionalment, aquests neutrins rarament interactúen amb altres tipus de matèria -molts passen directament a través de la Terra sense interactuar amb la resta de partícules- fent que siguin increïblement difícils de detectar, però assegurant que escapen dels entorns extraordinàriament densos en els quals es generen.

Els neutrins còsmics d'alta energia detectats per IceCube es creu que tenen el seu origen en les interaccions dels raigs còsmics amb la matèria (interaccions protó-protó); en les interaccions de raigs còsmics amb la radiació (interaccions protó-fotó); o a la desintegració o destrucció de la pesada i invisible matèria fosca. Com que aquests processos generen tant neutrins d'alta energia com raigs gamma d'alta energia, els científics van comparar les dades de neutrins de IceCube amb els raigs gamma d'alta energia detectats pel Telescopi Espacial de Raigs Gamma Fermi. "Si es permet que tots els raigs gamma d'alta energia escapin de les fonts de neutrins, haguéssim esperat trobar les dades corresponents a IceCube i Fermi", comenta Murase. En articles anteriors, incloent un que es va publicar com a Suggeriments Editorials a Physical Review Letters el 2015, Murase i els seus col·legues van demostrar el poder de tal comparació multi-missatger. Ara, els investigadors suggereixen que les noves dades dels neutrins recopilats per IceCube han portat a interessants contradiccions amb les dades de raigs gamma recopilats per Fermi.

"Usant càlculs sofisticats i una detallada comparació de les dades de IceCube amb les dades de raigs gamma de Fermi hem derivat noves i interessants implicacions per a les fonts de neutrins còsmics d'alta energia", explica Murase. "Sorprenentment, no veiem que encaixin les dades de raigs gamma d'alta energia detectats per Fermi amb les últimes dades de IceCube, el que suggereix l'origen en un accelerador ocult dels neutrins còsmics d'alta energia que Fermi no ha detectat".

Per explicar les dades de multi-missatgers sense cap de les fascinants contradiccions, els científics proposen que els raigs gamma d'alta energia han d'estar bloquejats dins de les fonts que els van crear. Els investigadors es pregunten llavors quin tipus d'esdeveniments astrofísics podrien produir neutrins d'alta energia, però també eliminar els raigs gamma d'alta energia detectables per Fermi. "És important assenyalar que hem trobat que la supressió dels raigs gamma d'alta energia hauria de succeir de manera natural quan els neutrins es generen a través de les interaccions protó-fotó", apunta Murase. Els fotons de baixa energia que interactuen amb els protons per produir neutrins en aquests esdeveniments, simultàniament eviten que els raigs gamma d'alta energia escapin a través d'un procés conegut com aniquilació de dos fotons. La nova troballa implica que la quantitat de raigs gamma d'alta energia associada amb els neutrins que arriben a la Terra pot estar fàcilment per sota del nivell detectable per Fermi.

D'acord amb els investigadors, els resultats impliquen que els neutrins còsmics d'alta energia poden usar-se com a sondes especials d'entorns astrofísics densos que no es poden veure en els raigs gamma d'alta energia. Les fonts candidates inclouen forats negres supermassius i certs tipus d'esclat de raigs gamma. Els resultats també motivaran altres estudis teòrics i observacionals, com ara l'ús de raigs gamma de menor energia o de raigs-X per ajudar els científics a comprendre l'origen dels neutrins d'alta energia i els raigs còsmics.
"La propera dècada serà una era daurada per a l'astrofísica de partícules de multi-missatgers amb els neutrins d'alta energia detectats en IceCube, així com les ones gravitatòries detectades amb LIGO", explica Murase. "El nostre treball demostra que l'enfocament de múltiples missatgers és una eina molt potent per estudiar preguntes fonamentals de l'astrofísica. Crec que el futur és brillant i serem capaços de trobar fonts de neutrins i raigs còsmics, el que ens portarà probablement a nous i sorprenents descobriments".

Font: Sam Sholties (Universitat de Pensilvania)