Fluidos de neutrinos em supernovas podem apontar para uma nova física

dayllon Setembro 7, 2023 4 min read

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Os neutrinos criados em estrelas em explosão podem apontar para uma física além do Modelo Padrão, de acordo com cálculos feitos por Po-Wen Chang e colegas da Universidade Estadual de Ohio, nos EUA. O seu trabalho explica como uma interação hipotética afeta o pulso de neutrinos que é gerado numa supernova com colapso do núcleo – algo que pode ser visto em observações existentes e futuras de supernovas.

Neutrinos são partículas subatômicas de baixa massa e eletricamente neutras que podem viajar longas distâncias através da matéria sem interagir. Eles são produzidos em grandes quantidades por alguns processos astrofísicos e os astrônomos usam detectores enormes para estudar os neutrinos que chegam à Terra. Além de nos dizer algo sobre astrofísica, o estudo destes neutrinos cósmicos pode fornecer informações sobre a natureza das próprias partículas.

Agora, a equipa de Chang explorou a possibilidade de explosões de supernovas poderem desencadear comportamentos de neutrinos que não podem ser explicados pelo Modelo Padrão da física de partículas.

Condições extremas

O Modelo Padrão diz que os neutrinos interagem entre si através da força nuclear fraca ou da gravidade. Mas durante o colapso do núcleo das supernovas, espera-se que as partículas fiquem tão densamente compactadas que se espalhem umas pelas outras com muito mais frequência do que o normal. Nessas condições extremas, algumas teorias que vão além do Modelo Padrão sugerem que uma interação hipotética chamada “autointeração aprimorada” (νSI) poderia surgir. Prevê-se que esta interação seja ordens de magnitude mais forte do que a interação fraca e deve, portanto, afetar o comportamento dos neutrinos em tais supernovas.

**Situação fluida: imagem composta do remanescente de SN 1987A. Os neutrinos dessas supernovas poderiam fornecer pistas sobre a física além do Modelo Padrão.** (Cortesia: Alma/NASA/ESA)

Para os astrônomos, a oportunidade de observar esse efeito surgiu em 1987, quando 25 neutrinos do SN 1987A foram registrados em três detectores de neutrinos. SN 1987A foi uma supernova com colapso do núcleo que ocorreu a apenas 168.000 anos-luz de distância, na Grande Nuvem de Magalhães.

A ideia geral é que o νSI deveria ter afetado a natureza do pulso de neutrinos que foi detectado aqui na Terra. No entanto, nas décadas que se seguiram ao evento, os físicos têm lutado para calcular os efeitos observáveis no sinal de neutrino do SN 1987A que estabeleceriam a existência de νSI.

Hidrodinâmica relativística

No seu estudo, a equipa de Chang revisitou o problema considerando os neutrinos fluindo para fora da estrela de neutrões recém-formada no centro de uma supernova com colapso do núcleo. Sob as restrições da hidrodinâmica relativística, seus cálculos mostraram que νSI faria com que as partículas agissem coletivamente para formar um fluido denso, fortemente acoplado e em expansão.

Os pesquisadores sugerem ainda que essa expansão poderia seguir dois caminhos possíveis. No primeiro cenário, os neutrinos fluiriam numa explosão repentina. O resultado seria um fluido de neutrinos que se estende muito além da estrela de nêutrons central – o que significa que o pulso de neutrinos observado pelos astrônomos duraria mais tempo. No segundo caso, os neutrinos fluem em um vento constante com densidade mais baixa. Aqui, os efeitos do νSI desapareceriam mais perto da estrela de nêutrons, resultando em um pulso de neutrinos mais curto.

A equipe de Chang espera agora que as suas ideias sejam usadas em cálculos futuros que possam permitir aos astrónomos identificar evidências de νSI em dados de neutrinos do SN 1987A. “A dinâmica das supernovas é complicada, mas este resultado é promissor porque com a hidrodinâmica relativística sabemos que há uma bifurcação no caminho para compreender como funcionam agora”, diz Chang.

Com base no seu conhecimento da produção de neutrinos no interior das supernovas, os investigadores prevêem que a sua teoria do vento constante é mais provável do que o caso de explosão-vazão – mas, por enquanto, será necessário mais trabalho para determinar se ambos os fenómenos podem ou não ocorrer na mesma explosão.

Em última análise, as suas descobertas poderão tornar muito mais fácil para os astrónomos recolherem evidências de νSI assim que novas supernovas forem observadas na Via Láctea ou na sua vizinhança galáctica – embora isto ainda possa demorar décadas. “Estamos sempre a rezar para que outra supernova galáctica aconteça em algum lugar e em breve, mas o melhor que podemos fazer é tentar aproveitar o que sabemos, tanto quanto possível, antes que aconteça”, diz Chang

Fonte: Physical Review Letters