Os recentes avanços tecnola³gicos permitiram o desenvolvimento de telesca³pios e instrumentos astrofisicos cada vez mais avana§ados. Isso inclui o telesca³pio IceCube, que foi originalmente construa­do para detectar e examinar neutrinos de alta energia no universo.

Os telesca³pios de neutrinos de alta energia, como o telesca³pio IceCube , não são apenas sensa­veis aos neutrinos; eles também podem ser usados ​​para detectar outraspartículas exa³ticas, incluindo monopolos magnanãticos. Monopolos magnanãticos sãopartículas elementares hipotanãticas compostas por um a­ma£ isolado com um aºnico polo magnanãtico.

Usando seu telesca³pio de neutrinos de alta energia, a Colaboração IceCube recentemente estabeleceu as restrições mais restritivas em monopolos magnanãticos relativa­sticos atéo momento. Os resultados de seu estudo, publicados na Physical Review Letters , enfatizam o potencial dos telesca³pios de neutrinos para procurarpartículas exa³ticas.

"Um monopolo magnético com velocidade próxima a  velocidade da luz (também chamado de monopolo relativa­stico) emitiria luz, chamada radiação Cherenkov, a  medida que atravessa o gelo onde o IceCube éimplantado, 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 telesca³pio IceCube."

Grandes teorias unificadas são um conjunto de teorias que descrevem a evolução do universo primitivo, sugerindo que, na anãpoca, todas as forças conhecidas estavam unificadas em uma única força. Da mesma forma, hoje supaµe-se que diferentes efeitos elanãtricos e magnanãticos se originam de uma única força, conhecida como força eletromagnanãtica. Entre outras coisas, as grandes teorias unificadas preveem a existaªncia departículas com um "polo" magnético (isto anã, monopolos).

"Atualmente, háindicações, embora não haja provas, de que as forças forte e nuclear foram unificadas com a força eletromagnanãtica no ini­cio do universo e que se separaram como forças diferentes a  medida que o universo evolui", disse de los Heros. "De acordo com essas teorias, os monopolos magnanãticos deveriam ter sido criados junto com outra matéria logo após o big bang."

Como os monopolos são teoricamente esta¡veis, um gás de monopolos rela­quias ainda pode estar permeando o espaço hoje, mas nenhum telesca³pio os detectou atéagora. De los Heros e seus colegas esperavam que o telesca³pio IceCube pudesse finalmente permitir sua detecção.

“O principal objetivo de nossa análise foi descobrir um fluxo ca³smico de monopolos magnanãticos, 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, ao Phys.org . “Houve várias análises anteriores em busca de um fluxo ca³smico de monopolos magnanãticos, usando dados do IceCube e medições com outras instalações”.

A colaboração IceCube publicou recentemente dados coletados por seu telesca³pio de neutrinos de alta energia ao longo de oito anos. Este éum tempo de observação significativamente maior do que o considerado em pesquisas anteriores de monopolo, que éde cerca de um ano. Em última análise, a equipe esperava que, combinados com ferramentas avana§adas de análise e reconstrução de dados, esses dados os ajudassem a detectar monopolos e outraspartículas exa³ticas.

"Na física experimental, nenhum sinal estãocompletamente livre de rua­do de fundo (sinais de outros processos que imitam o que vocêprocura), 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 maºon (uma parta­cula altamente penetrante que se assemelha a um elanãtron pesado) que cruzara¡ o detector. Esses maºons também produzem radiação Cherenkov no detector (isso écomo o IceCube detecta neutrinos de alta energia ) e pode imitar uma trilha de monopolo, embora existam pequenas diferenças no padrãode emissão de luz entre um maºon e um monopolo."

O telesca³pio IceCube pode registrar cerca de 2.700 "eventos" departículas por segundo. Esses eventos podem ser causados ​​por maºons e neutrinos produzidos na atmosfera, por neutrinos de origem astrofa­sica e, potencialmente, por um monopolo magnético atravessando o detector.

"Inicialmente, determinamos algumas caracteri­sticas que distinguiriam um evento de monopolo magnético dos eventos regulares que vimos", disse Burgman. “Isso inclui a quantidade de luz que édetectada no evento (os monopolos magnanãticos produzem muita luz ao se propagar atravanãs do gelo) e a irregularidade da saa­da de luz (os monopolos teriam uma saa­da de luz muito suave e uniforme ao longo de sua trajeta³ria)”.

Como primeiro passo, os pesquisadores conseguiram rejeitar a maioria dos eventos comuns detectados pelo telesca³pio IceCube simplesmente com base em seu brilho. Posteriormente, eles treinaram um algoritmo de aprendizado de ma¡quina para classificar os "eventos" restantes como monopolo magnético ou semelhante a neutrino, com base em uma sanãrie de caracteri­sticas relevantes.

“Usamos aprendizado de ma¡quina combinado com simulações detalhadas de computador da resposta do detector a monopolos e maºons para treinar o cluster de computador IceCube para distinguir entre trilhas de maºons e trilhas de monopolos”, disse de los Heros. “Quando o treinamento foi conclua­do, os computadores foram alimentados com o conjunto de dados de oito anos (um total de 630 bilhaµes de eventos) na esperana§a 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 caracteri­sticas que seriam associadas a um monopolo magnanãtico. No entanto, seus resultados permitiram que eles estabelecessem um limite superior para o fluxo ca³smico do monopolo.

“Resultados negativos também são importantes na física, pois estabelecem restrições que as teorias devem cumprir”, disse de los Heros. "Neste caso, nossos resultados nos dizem que o número de monopolos relativa­sticos no universo émenor que um valor especa­fico (aproximadamente 2x10 -19 por cm 2 segundo e estereorradiano, o que corresponde a menos de 0,1 monopolos em um volume como a Terra em qualquer momento). Se o fluxo de monopolos relativa­sticos tivesse sido maior do que isso, tera­amos detectado alguns, porque nossa análise erasensívela um fluxo mais alto."

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 magnanãticos relativa­sticos não pode ser maior do que o limite que eles estabeleceram.

"Nosso estudo contribui para o panorama geral de buscas por monopolos magnanãticos ", disse Burgman. "Mesmo que não tenhamos encontrado um, os resultados de nosso estudo guiara£o a próxima geração de pesquisas. Esse tipo de estudo incremental éa pedra angular da pesquisa sobre fena´menos anteriormente não observados".

Notavelmente, o limite do fluxo de rela­quias de monopolos relativa­sticos estabelecido por de los Heros, Burgman e seus colegas éatualmente o mais restritivo existente. Além de estabelecer esse importante limite, seu estudo demonstra a versatilidade e o amplo escopo de pesquisa do telesca³pio IceCube, bem como de outros instrumentos semelhantes. A colaboração IceCube estãoagora a  procura de monopolos com velocidades mais baixas do que as que procuraram neste trabalho recente.

"Nãoháfaixa de velocidade prevista favorita para monopolos", acrescentou de los Heros. "Na³s procuramos por monopolos com velocidades próximas a  velocidade da luz (monopolos relativa­sticos), mas a busca continua por monopolos mais lentos. dados para a análise (se um monopolo não for encontrado)."