A cada segundo, 100 trilhões de neutrinos passam pelo corpo humano. Essas partículas minúsculas, quase sem massa, viajam distâncias enormes pelo espaço enquanto carregam informações sobre suas fontes e são criadas por alguns dos fenômenos mais energéticos do universo. Mas os neutrinos são incrivelmente difíceis de detectar, exigindo um detector único que possa “ver” essas partículas quase invisíveis.
Em 18 de dezembro de 2010, o Observatório IceCube Neutrino, localizado no Pólo Sul, foi concluído. Projetado para procurar neutrinos cósmicos de alta energia, o detector consiste em um conjunto de 5.160 sensores ópticos, chamados módulos ópticos digitais (DOMs), enterrados em um quilômetro cúbico de gelo antártico. Quando um neutrino interage com uma molécula no gelo, a luz azul é emitida das partículas carregadas secundárias resultantes através de um processo chamado radiação Cherenkov. A luz então viaja através do gelo e pode atingir alguns dos DOMs, onde é detectada. Os pesquisadores podem então reconstruir a energia e a direção da partícula, um processo que depende do conhecimento das propriedades ópticas do gelo.
Em 2013, a Colaboração IceCube relatou uma observação única em que o brilho observado de uma fonte de luz depende da direção da luz, um efeito denominado “anisotropia óptica de gelo”. Até agora, os pesquisadores tentaram descrever a anisotropia com variações de absorção e dispersão induzidas por impurezas com sucesso limitado.
Em um novo estudo submetido ao The Cryosphere, IceCube relata um efeito óptico que não foi descrito anteriormente. O efeito é o resultado das propriedades birrefringentes dos cristais de gelo alongados que desviam a luz em duas direções. O novo conhecimento adquirido foi incorporado em um novo modelo óptico de gelo baseado em birrefringência usado na simulação de detectores, SpiceBFR, que melhorou substancialmente a interpretação dos padrões de luz resultantes das interações de partículas no gelo.
“O modelo óptico de gelo em uso pela Colaboração IceCube está em desenvolvimento desde os primeiros dias do experimento predecessor AMANDA”, disse Dmitry Chirkin, cientista associado da Universidade de Wisconsin-Madison. “Por mais de 20 anos, adicionamos pedaços de descoberta à nossa compreensão do gelo, incluindo o desaparecimento de bolhas de ar presas em profundidades bem acima do detector e que, em profundidades mais profundas, a camada de gelo do Pólo Sul contém o gelo mais limpo do planeta. Outra descoberta é a anisotropia óptica do gelo, que é o principal tema do estudo que foi motivado pelo novo entendimento em nosso artigo.”
Para melhorar as tentativas anteriores de descrever a anisotropia, os colaboradores analisaram atentamente o efeito da anisotropia, encontrando uma correlação entre o desenvolvimento da profundidade das propriedades do cristal de gelo e o efeito da anisotropia. Isso levou os pesquisadores a acreditar que os muitos pequenos cristais aleatoriamente sortidos que compõem o gelo estavam em jogo na anisotropia observada.
“As coisas realmente começaram a rolar quando percebemos que trajetórias curvas de fótons com pequenas deflexões de subgraus por metro seriam capazes de descrever com precisão os dados”, disse Martin Rongen, pesquisador da Universidade Johannes Gutenberg Mainz (JGU) e líder da pesquisa. análise. “De fato, ao calcular e simular a difusão da luz através do gelo policristalino como presente no IceCube, onde os cristais são, em média, alongados ao longo da direção do fluxo de gelo, surge uma deflexão média”.
Para o estudo, os pesquisadores realizaram simulações que modelaram diferentes caminhos que a luz poderia percorrer dentro do detector. Eles então compararam os dados simulados com um grande conjunto de dados de calibração retirado do IceCube. O conjunto de dados de calibração do IceCube compreende dados de 60.000 LEDs, equipados em todos os DOMs, que emitem pulsos de luz consistentes no gelo, que são então usados para calibrar as propriedades ópticas do gelo. A partir da comparação, os pesquisadores conseguiram inferir a forma e o tamanho médios dos cristais de gelo no IceCube. Esta nova descoberta empolgante leva à geração de novas simulações e à adaptação dos métodos de reconstrução atuais para dar conta do modelo SpiceBFR.
Esse novo entendimento não apenas ajudará o IceCube a melhorar as interações de neutrinos reconstruídos, mas também terá implicações para o campo da glaciologia como um todo. “As propriedades dos cristais de gelo são estudadas em particular para entender a mecânica do fluxo de gelo, que pode ser usada para prever o balanço de massa da Antártida e o aumento do nível do mar resultante em um clima em mudança”, disse Rongen.
Publicado em 25/10/2022 15h31
Artigo original:
Estudo original: