Os recentes avanços tecnológicos permitiram o desenvolvimento de telescópios e instrumentos astrofísicos cada vez mais avançados. Isso inclui o telescópio IceCube, que foi originalmente construído para detectar e examinar neutrinos de alta energia no universo.
Telescópios de neutrinos de alta energia, como o telescópio IceCube, não são apenas sensíveis a neutrinos; eles também podem ser usados para detectar outras partículas exóticas, incluindo monopolos magnéticos. Monopolos magnéticos são partículas elementares hipotéticas compostas por um ímã isolado com um único polo magnético.
Usando seu telescópio de neutrinos de alta energia, a Colaboração IceCube recentemente estabeleceu as restrições mais restritivas em monopolos magnéticos relativísticos até o momento. Os resultados de seu estudo, publicados na Physical Review Letters, enfatizam o potencial dos telescópios de neutrinos para procurar partículas exóticas.
“Um monopolo magnético com velocidade próxima à velocidade da luz (também chamado de monopolo relativístico) emitiria luz, chamada radiação Cherenkov, à medida que atravessa o gelo onde o IceCube é implantado, deixando uma assinatura muito distinta no detector: uma linha reta muito brilhante faixa cruzando o detector”, disse Carlos Perez de los Heros, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. “Nossa ideia original era procurar faixas muito brilhantes nos oito anos de dados acumulados que temos do telescópio IceCube.”
Grandes teorias unificadas são um conjunto de teorias que descrevem a evolução do universo primitivo, sugerindo que, na época, todas as forças conhecidas estavam unificadas em uma única força. Da mesma forma, hoje supõe-se que diferentes efeitos elétricos e magnéticos se originam de uma única força, conhecida como força eletromagnética. Entre outras coisas, as grandes teorias unificadas preveem a existência de partículas com um “pólo” magnético (ou seja, monopolos).
“Atualmente, há indicações, embora não haja provas, de que as forças forte e nuclear foram unificadas com a força eletromagnética no início do universo e que se separaram como forças diferentes à medida que o universo evolui”, disse de los Heros. “De acordo com essas teorias, os monopolos magnéticos deveriam ter sido criados junto com outra matéria logo após o big bang.”
Como os monopolos são teoricamente estáveis, um gás de monopolos relíquias ainda pode estar permeando o espaço hoje, mas nenhum telescópio os detectou até agora. De los Heros e seus colegas esperavam que o telescópio IceCube pudesse finalmente permitir sua detecção.
“O principal objetivo de nossa análise foi descobrir um fluxo cósmico de monopolos magnéticos, com a velocidade do monopolo na faixa de 0,75 a 0,995 vezes a velocidade da luz”, disse Alexander Burgman, outro pesquisador envolvido no estudo recente. “Houve várias análises anteriores em busca de um fluxo cósmico de monopolos magnéticos, usando dados do IceCube e medições com outras instalações”.
A colaboração IceCube publicou recentemente dados coletados por seu telescópio de neutrinos de alta energia ao longo de oito anos. Este é um tempo de observação significativamente maior do que o considerado em pesquisas anteriores de monopolo, que é de cerca de um ano. Em última análise, a equipe esperava que, combinados com ferramentas avançadas de análise e reconstrução de dados, esses dados os ajudassem a detectar monopolos e outras partículas exóticas.
“Na física experimental, nenhum sinal está completamente livre de ruído de fundo (sinais de outros processos que imitam o que você procura), e nossa pesquisa não foi exceção”, explicou de los Heros. “Embora raramente, neutrinos de energia muito alta de longe no universo podem interagir perto do IceCube e produzir um múon (uma partícula altamente penetrante que se assemelha a um elétron pesado) que cruzará o detector. Esses múons também produzem radiação Cherenkov no detector (isso é como o IceCube detecta neutrinos de alta energia) e pode imitar uma trilha de monopolo, embora existam pequenas diferenças no padrão de emissão de luz entre um múon e um monopolo.”
O telescópio IceCube pode registrar cerca de 2.700 “eventos” de partículas por segundo. Esses eventos podem ser causados por múons e neutrinos produzidos na atmosfera, por neutrinos de origem astrofísica e, potencialmente, por um monopolo magnético atravessando o detector.
“Inicialmente, determinamos algumas características que distinguiriam um evento de monopolo magnético dos eventos regulares que vimos”, disse Burgman. “Isso inclui a quantidade de luz que é detectada no evento (os monopolos magnéticos produzem muita luz ao se propagar através do gelo) e a irregularidade da saída de luz (os monopolos teriam uma saída de luz muito suave e uniforme ao longo de sua trajetória)”.
Como primeiro passo, os pesquisadores conseguiram rejeitar a maioria dos eventos comuns detectados pelo telescópio IceCube simplesmente com base em seu brilho. Posteriormente, eles treinaram um algoritmo de aprendizado de máquina para classificar os “eventos” restantes como monopolo magnético ou semelhante a neutrino, com base em uma série de características relevantes.
“Usamos aprendizado de máquina combinado com simulações detalhadas de computador da resposta do detector a monopolos e múons para treinar o cluster de computador IceCube para distinguir entre trilhas de múons e trilhas de monopolos”, disse de los Heros. “Quando o treinamento foi concluído, os computadores foram alimentados com o conjunto de dados de oito anos (um total de 630 bilhões de eventos) na esperança de que identificassem um ou mais monopolos nos dados”.
Em suas análises, de los Heros, Burgman e seus colegas da IceCube Collaboration não detectaram nenhum evento com as características que seriam associadas a um monopolo magnético. No entanto, seus resultados permitiram que eles estabelecessem um limite superior para o fluxo cósmico do monopolo.
“Resultados negativos também são importantes na física, pois estabelecem restrições que as teorias devem cumprir”, disse de los Heros. “Nesse caso, nossos resultados nos dizem que o número de monopolos relativísticos no universo é menor que um valor específico (aproximadamente 2×10-19 por cm2 segundo e estereoradiano, o que corresponde a menos de 0,1 monopolos em um volume como a Terra em qualquer Se o fluxo de monopolos relativísticos fosse maior do que isso, teríamos detectado alguns, porque nossa análise era sensível a um fluxo maior.”
As novas restrições estabelecidas pela colaboração IceCube podem ter implicações importantes para as teorias existentes que descrevem a evolução do universo primitivo. Mais especificamente, suas análises sugerem que o fluxo de monopolos magnéticos relativísticos não pode ser maior do que o limite que eles estabeleceram.
“Nosso estudo contribui para o panorama geral de buscas por monopolos magnéticos”, disse Burgman. “Embora não tenhamos encontrado um, os resultados de nosso estudo orientarão a próxima geração de pesquisas. Esse tipo de estudo incremental é a pedra angular da pesquisa sobre fenômenos anteriormente não observados”.
Notavelmente, o limite do fluxo de relíquias de monopolos relativísticos estabelecido por de los Heros, Burgman e seus colegas é atualmente o mais restritivo existente. Além de estabelecer esse importante limite, seu estudo demonstra a versatilidade e o amplo escopo de pesquisa do telescópio IceCube, bem como de outros instrumentos semelhantes. A colaboração IceCube está agora à procura de monopolos com velocidades mais baixas do que as que procuraram neste trabalho recente.
“Não há faixa de velocidade prevista favorita para monopolos”, acrescentou de los Heros. “Nós procuramos por monopolos com velocidades próximas à velocidade da luz (monopolos relativísticos), mas a busca continua por monopolos mais lentos. dados para a análise (se um monopolo não for encontrado).”
Publicado em 12/03/2022 16h30
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