O veredito já foi dado: a deteção de um neutrino cósmico que atingiu a Terra com um nível de energia sem precedentes não foi um erro nem uma anomalia do sistema - tratou-se, de facto, da observação real de uma partícula real.
O que o KM3NeT registou no evento KM3-230213A
Em fevereiro de 2023, um detetor chamado KM3NeT, instalado a grande profundidade no mar Mediterrâneo, registou um sinal que apontava para a passagem de um neutrino com uma energia recorde de 220 petaeletrão-volts (PeV). Para comparação, o máximo anterior ficava-se por 10 PeV.
Desde então, uma análise exaustiva de todos os dados recolhidos durante e em torno do episódio - identificado como KM3-230213A - não só reforça a interpretação de que o sinal foi provocado por um neutrino de 220 PeV, como também adensa o mistério sobre a sua origem algures no Universo.
Porque a equipa descarta falhas e confirma a deteção do neutrino de 220 PeV
"Os padrões de luz detetados para o KM3-230213A mostram uma correspondência clara com o que se espera de uma partícula relativista a atravessar o detetor, muito provavelmente um muão, afastando a possibilidade de uma falha", disse a Colaboração KM3NeT à ScienceAlert.
"Graças à energia e à direção reconstruídas deste muão, o cenário de longe mais provável é que o muão tenha tido origem na interação de um neutrino astrofísico nas proximidades do detetor, sendo esta a explicação mais natural."
Os neutrinos são surpreendentemente comuns no Universo - estão entre as partículas mais abundantes que existem - e nascem em condições energéticas, como a fusão no interior das estrelas ou as explosões de supernovas. No entanto, não têm carga elétrica, a sua massa é quase nula e interagem muito pouco com as outras partículas com que se cruzam.
Neste preciso momento, centenas de milhares de milhões de neutrinos atravessam o seu corpo, seguindo caminho como se fossem fantasmas. É precisamente por isso que, com algum carinho, são conhecidos como partículas-fantasma.
Essa tendência para “evitar” interações cria um problema sério: torna os neutrinos extremamente difíceis de detetar. Ainda assim, de vez em quando um neutrino embate numa outra partícula; esse choque gera uma pequena cascata de partículas, como muões e fotões - partículas de luz. O resultado é um brilho muito ténue, mas que um detetor adequado consegue registar.
O KM3NeT é exatamente esse tipo de conjunto de detetores. Está submerso a cerca de 3 450 metros (aprox. 3,45 km) abaixo da superfície do oceano, uma profundidade onde a luz solar não chega. Numa escuridão tão total, os eventos associados a neutrinos destacam-se como minúsculos faróis.
Foi esse o contexto que permitiu a deteção do KM3-230213A - pode ler sobre isso aqui -, mas como outros detetores em operação há muito mais tempo nunca observaram nada sequer perto desta energia, permaneceu alguma margem de incerteza.
"Tendo em conta que outras experiências, em particular o IceCube e o Auger, estão em funcionamento há mais de uma década e já realizaram buscas por neutrinos de energia ultra-elevada mas ainda não detetaram nenhum, investigamos a probabilidade de o neutrino observado pelo KM3NeT ser o primeiro desse tipo observado", explicou a Colaboração KM3Net.
"Concluímos que, apesar de a probabilidade de tal acontecer ser relativamente baixa - aproximadamente 1 em 100 -, é possível que o único evento visto até agora seja no KM3NeT e não no IceCube e no Pierre Auger; portanto, as três medições não estão em desacordo."
Como o KM3-230213A encaixa no panorama global dos neutrinos
Os investigadores avaliaram ainda de que forma o KM3-230213A se integra no quadro mais amplo dos neutrinos: quantos neutrinos atravessam o Universo e como se distribuem pelas diferentes energias. Ao incluir o neutrino de 220 PeV, passam a obter-se previsões mais coerentes para o comportamento dos neutrinos.
Por fim - e talvez a parte mais intrigante -, o artigo analisou se o KM3-230213A poderá indicar a existência de uma nova componente ou de um novo processo capaz de produzir neutrinos de energia ultra-elevada, face aos processos relativamente conhecidos que explicam os restantes neutrinos detetados até ao momento.
"Isto é relevante porque se espera que uma nova componente deste tipo surja a energias ultra-elevadas, devido aos 'neutrinos cosmogénicos', que são neutrinos produzidos pela interação de raios cósmicos com o fundo cósmico de micro-ondas, a primeira luz observável do Universo emitida há cerca de 13,8 mil milhões de anos", afirmou a Colaboração.
"Em alternativa, uma nova componente poderia dever-se a uma nova população de objetos astrofísicos a emitir neutrinos de energia ultra-elevada."
O enigma da origem: de onde poderá ter vindo este neutrino?
Ainda assim, a análise não conseguiu concluir se existe ou não uma nova componente. Entre as origens possíveis do neutrino continuam hipóteses como a expulsão a partir do ambiente extremo do centro de uma galáxia, as explosões de raios gama emitidas por estrelas em destruição, ou uma interação com o fundo cósmico de micro-ondas.
Uma coisa, no entanto, parece reunir concordância entre os cientistas: é muitíssimo improvável que o neutrino tenha tido origem dentro da Via Láctea. Portanto, venha de onde vier, o KM3-230213A terá nascido num local extremo e muito distante. Estão a decorrer trabalhos para afinar a trajetória do neutrino, com o objetivo de aproximar a identificação do seu ponto de origem. Por isso, dificilmente este será o último capítulo do KM3-230213A.
"O KM3-230213A abriu uma nova janela para a astronomia de neutrinos de energia ultra-elevada", disse a Colaboração.
"A nossa análise é o primeiro esforço para combinar observações de vários telescópios ao longo de um amplo intervalo de energias, de modo a caracterizar o espectro de energia ultra-elevada. Isto representa a nossa melhor hipótese de adquirir conhecimento sobre os objetos mais extremos que povoam o nosso Universo."
O artigo foi publicado na Physical Review X.
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