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Artículo publicado por Sam Sholtis el 18 de febrero de 2016 en la Universidad Estatal de Pennsylvania

Las fuentes de neutrinos cósmicos de alta energía que se detectaron en el Observatorio de Neutrinos IceCube, enterrado en el hielo antártico, pueden estar ocultas a las observaciones de rayos gamma de alta energía, según revela una nueva investigación. Estos neutrinos cósmicos de alta energía, que probablemente proceden de más allá de la Vía Láctea, pueden tener origen en unos objetos increíblemente densos y potentes en el espacio, que evitan que escapen los rayos gamma de alta energía que acompañan a la producción de los neutrinos. Se publica una investigación que describe la investigación en la edición en línea anticipada de la revista Physical Review Letters el 18 de febrero de 2016.

Acelerador oculto de rayos cósmicos

Acelerador oculto de rayos cósmicos Crédito: Bill Saxton, modificado por Kohta Murase

“Los neutrinos son una de las partículas fundamentales que forman nuestro universo”, apunta Kohta Murase, profesor adjunto de física y de astronomía y astrofísica en la Universidad Estatal de Pennsylvania, y autor de los estudios. “Los neutrinos de alta energía se producen junto a los rayos gamma mediante una radiación de una energía extremadamente alta conocida como rayos cósmicos, en objetos como galaxias en fase de formación estelar, agujeros negros supermasivos, o estallidos de rayos gamma. Es importante revelar el origen de estos neutrinos cósmicos de alta energía para comprender mejor el mecanismo físico subyacente que produce los neutrinos y otras astropartículas de alta energía, y para permitir el uso de los neutrinos como una nueva forma de estudiar la física de partículas en el universo”.

Los neutrinos son partículas neutras, por lo que no se ven afectadas por las fuerzas electromagnéticas cuando viajan por el espacio. Los neutrinos detectados aquí en la Tierra trazan de este modo un camino directo hacia sus lejanas fuentes astrofísicas. Adicionalmente, estos neutrinos raramente interactúan con otros tipos de materia – muchos pasan directamente a través de la Tierra sin interactuar con el resto de partículas – haciendo que sean increíblemente difíciles de detectar, pero asegurando que escapan de los entornos extraordinariamente densos en los que se generan.

Los neutrinos cósmicos de alta energía detectados por IceCube se cree que tienen su origen en las interacciones de los rayos cósmicos con la materia (interacciones protón-protón); en las interacciones de rayos cósmicos con la radiación (interacciones protón-fotón); o en la desintegración o destrucción de la pesada e invisible “materia oscura”. Debido a que estos procesos generan tanto neutrinos de alta energía como rayos gamma de alta energía, los científicos compararon los datos de neutrinos de IceCube con los rayos gamma de alta energía detectados por el Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi. “Si se permite que todos los rayos gamma de alta energía escapen de las fuentes de neutrinos, hubiésemos esperado encontrar los datos correspondientes en IceCube y Fermi”, comenta Murase. En artículos anteriores, incluyendo uno que se publicó como Sugerencias Editoriales en Physical Review Letters en 2015, Murase y sus colegas demostraron el poder de tal comparación “multi-mensajero”. Ahora, los investigadores sugieren que los nuevos datos de los neutrinos recopilados por IceCube han llevado a interesantes contradicciones con los datos de rayos gamma recopilados por Fermi.

“Usando cálculos sofisticados y una detallada comparación de los datos de IceCube con los datos de rayos gamma de Fermi hemos derivado nuevas e interesantes implicaciones para las fuentes de neutrinos cósmicos de alta energía”, explica Murase. “Sorprendentemente, no vemos que encajen los datos de rayos gamma de alta energía detectados por Fermi con los últimos datos de IceCube, lo que sugiere el origen en un “acelerador oculto” de los neutrinos cósmicos de alta energía que Fermi no ha detectado”.

Para explicar los datos de multi-mensajeros sin ninguna de las fascinantes contradicciones, los científicos proponen que los rayos gamma de alta energía deben estar bloqueados dentro de las fuentes que los crearon. Los investigadores se preguntan entonces qué tipo de acontecimientos astrofísicos podrían producir neutrinos de alta energía, pero también eliminar los rayos gamma de alta energía detectables por Fermi. “Es importante señalar que hemos encontrado que la supresión de los rayos gamma de alta energía debería suceder de forma natural cuando los neutrinos se generan a través de las interacciones protón-fotón”, apunta Murase. Los fotones de baja energía que interactúan con los protones para producir neutrinos en estos eventos, simultáneamente evitan que los rayos gamma de alta energía escapen a través de un proceso conocido como ‘aniquilación de dos fotones’. El nuevo hallazgo implica que la cantidad de rayos gamma de alta energía asociada con los neutrinos que llegan a la Tierra puede estar fácilmente por debajo del nivel detectable por Fermi.

De acuerdo con los investigadores, los resultados implican que los neutrinos cósmicos de alta energía pueden usarse como sondas especiales de entornos astrofísicos densos que no pueden verse en los rayos gamma de alta energía. Las fuentes candidatas incluyen agujeros negros supermasivos y ciertos tipos de estallido de rayos gamma. Los resultados también motivarán otros estudios teóricos y observacionales, tales como el uso de rayos gamma de menor energía o de rayos-X para ayudar a los científicos a comprender el origen de los neutrinos de alta energía y los rayos cósmicos.

“La próxima década será una era dorada para la astrofísica de partículas de multi-mensajeros con los neutrinos de alta energía detectados en IceCube, así como las ondas gravitatorias detectadas con LIGO”, explica Murase. “Nuestro trabajo demuestra que el enfoque de múltiples mesajeros es una herramienta muy potente para estudiar preguntas fundamentales de la astrofísica. Creo que el futuro es brillante y seremos capaces de encontrar fuentes de neutrinos y rayos cósmicos, lo que nos llevará probablemente a nuevos y sorprendentes descubrimientos”.

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