Experimentul ANITA (Antarcticii Impulsive Transient Antenna) al NASA a survolat întinderi de gheață din Antarctica cu ajutorul unui balon.
Cuprins
Oamenii de știință încearcă să rezolve un mister vechi de zece ani, determinând identitatea semnalelor anomale detectate sub gheața din Antarctica.
Undele radio ciudate au apărut în timpul căutării unui alt fenomen neobișnuit: particule cosmice de mare energie cunoscute sub numele de neutrini. Ajungând pe Pământ din îndepărtatele colțuri ale cosmosului, neutrinii sunt adesea numiți „fantomatici” deoarece sunt extrem de volatili sau vaporosi și pot traversa orice tip de materie fără a se modifica.
În ultimul deceniu, cercetătorii au efectuat multiple experimente folosind vaste întinderi de apă și gheață, menite să caute neutrini, care ar putea arunca lumină asupra misterioaselor raze cosmice, cele mai energice particule din univers. Unul dintre aceste proiecte a fost experimentul ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna) al NASA, care a zburat cu baloane echipate cu instrumente deasupra Antarcticii între 2006 și 2016.
În timpul acestei căutări, ANITA a detectat unde radio anomale care nu păreau a fi neutrini.
Semnalele proveneau de sub orizont, sugerând că au traversat mii de kilometri de rocă înainte de a ajunge la detector. Dar undele radio ar fi trebuit să fie absorbite de rocă. Echipa ANITA a considerat că aceste semnale anomale nu pot fi explicate prin cunoștințele actuale din fizica particulelor.
Observațiile și analizele ulterioare efectuate cu alte instrumente, inclusiv una recentă realizată de Observatorul Pierre Auger din Argentina, nu au reușit să găsească aceleași semnale. Rezultatele colaborării Pierre Auger au fost publicate în revista Physical Review Letters în luna martie.
Originea semnalelor anormale rămâne neclară, a declarat coautoarea studiului Stephanie Wissel, profesoară asociată de fizică, astronomie și astrofizică la Universitatea de Stat din Pennsylvania.
„Noul nostru studiu indică faptul că astfel de (semnale) nu au fost observate de un experiment … precum Observatorul Pierre Auger”, a spus Wissel. „Deci, acest lucru nu indică existența unei noi fizici, ci mai degrabă existența unor informații suplimentare care pot fi adăugate la poveste.”
Detectoare mai mari și mai sensibile ar putea rezolva misterul sau, în cele din urmă, ar putea dovedi dacă semnalele anormale au fost o întâmplare, în timp ce continuă căutarea neutrinilor enigmatici și a surselor lor, spun oamenii de știință.
Căutarea neutrinilor
Detectarea neutrinilor pe Pământ permite cercetătorilor să îi urmărească până la sursele lor, care, potrivit oamenilor de știință, sunt în principal raze cosmice care lovesc atmosfera planetei noastre.
Cele mai energice particule din univers, razele cosmice sunt alcătuite în principal din protoni sau nuclee atomice și sunt eliberate în univers deoarece ceea ce le produce este un accelerator de particule atât de puternic încât depășește cu mult capacitățile Marelui Accelerator de Hadroni. Neutrinii ar putea ajuta astronomii să înțeleagă mai bine razele cosmice și ce le lansează în cosmos.
Dar neutrinii sunt greu de găsit, deoarece nu au aproape nicio masă și pot traversa cele mai extreme medii, precum stelele și galaxiile întregi, fără a suferi modificări. Cu toate acestea, ei interacționează cu apa și gheața.
ANITA a fost proiectat pentru a căuta neutrinii cu cea mai mare energie din univers, la energii mai mari decât cele detectate până acum, a declarat Justin Vandenbroucke, profesor asociat de fizică la Universitatea din Wisconsin, Madison. Antenele radio ale experimentului caută un impuls scurt de unde radio produse atunci când un neutrino se ciocnește cu un atom din gheața Antarcticii, ducând la o ploaie de particule cu energie mai mică, a spus el.
În timpul zborurilor sale, ANITA a descoperit fântâni de particule de mare energie provenind din gheață, un fel de ploaie inversată de raze cosmice. Detectorul este, de asemenea, sensibil la razele cosmice de energie ultraînaltă care cad pe Pământ și creează o explozie radio care acționează ca un fascicul de unde radio.
Când ANITA observă o rază cosmică, fasciculul de lumină este de fapt o explozie de unde radio cu o durată de o miliardime de secundă, care poate fi cartografiată ca o undă pentru a arăta cum se reflectă în gheață.
O anomalie în date
De două ori în datele colectate în timpul zborurilor ANITA, echipa inițială a experimentului a observat semnale care veneau prin gheață la un unghi mult mai ascuțit decât prevăzuseră toate modelele, ceea ce a făcut imposibilă urmărirea semnalelor până la sursele lor originale.
„Undele radio pe care le-am detectat acum aproape un deceniu aveau unghiuri foarte ascuțite, de aproximativ 30 de grade sub suprafața gheții”, a spus Wissel.
Neutrinele pot traversa o mulțime de materii, dar nu pot traversa Pământul în întregime, a spus Vandenbroucke.
„Se așteaptă ca acestea să sosească de puțin sub orizont, unde nu există multă materie terestră care să le absoarbă”, a scris el într-un e-mail. „Evenimentele anomale ANITA sunt intrigante, deoarece par să provină de mult sub orizont, ceea ce înseamnă că neutrinele ar trebui să traverseze o mare parte a Pământului. Conform modelului standard al fizicii particulelor, acest lucru nu este posibil.”
Instrumentele ANITA au fost proiectate pentru a detecta undele radio provenite de la razele cosmice care lovesc atmosfera.
Colaborarea Pierre Auger, care include sute de oameni de știință din întreaga lume, a analizat date colectate pe o perioadă de peste zece ani pentru a încerca să înțeleagă semnalele anomale detectate de ANITA.
Echipa a folosit și observatorul propriu pentru a încerca să găsească aceleași semnale. Observatorul Auger este un detector hibrid care utilizează două metode pentru a găsi și studia razele cosmice. Una dintre metode se bazează pe găsirea particulelor de energie înaltă în timp ce acestea interacționează cu apa din rezervoarele de la suprafața Pământului, iar cealaltă urmărește potențialele interacțiuni cu lumina ultravioletă din straturile superioare ale atmosferei planetei noastre.
„Observatorul Auger utilizează o tehnică foarte diferită pentru a observa ploile de raze cosmice de energie ultraînaltă, folosind strălucirea secundară a particulelor încărcate în timp ce traversează atmosfera pentru a determina direcția razei cosmice care a inițiat-o”, a spus Peter Gorham, profesor de fizică la Universitatea din Hawaii la Mānoa. „Folosind simulări pe computer ale aspectului pe care l-ar avea o astfel de ploaie de particule dacă s-ar fi comportat ca evenimentele anomale ANITA, ei sunt capabili să genereze un fel de șablon pentru evenimente similare și apoi să caute în datele lor pentru a vedea dacă apare ceva asemănător.”
Gorham, care nu a fost implicat în noua cercetare, a proiectat experimentul ANITA și a efectuat alte cercetări pentru a înțelege mai multe despre semnalele anomale.
În timp ce Observatorul Auger a fost proiectat pentru a măsura ploile de particule descendente produse în atmosferă de raze cosmice de energie ultraînaltă, echipa a reproiectat analiza datelor pentru a căuta ploi atmosferice ascendente, a spus Vandenbroucke. Vandenbroucke nu a lucrat la noul studiu, dar l-a revizuit înainte de publicare.
„Auger are o zonă de colectare enormă pentru astfel de evenimente, mai mare decât ANITA”, a spus el. „Dacă evenimentele anormale ANITA sunt produse de orice particulă care călătorește prin Pământ și apoi produce averse ascendente, atunci Auger ar fi trebuit să detecteze multe dintre ele, dar nu a făcut-o.”
Un alt studiu de urmărire care a utilizat experimentul IceCube, care are senzori încorporați adânc în gheața Antarcticii, a căutat, de asemenea, semnalele anomale.
„Deoarece IceCube este foarte sensibil, dacă evenimentele anomale ANITA ar fi fost neutrini, le-am fi detectat”, a scris Vandenbroucke, care a fost co-lider al grupului de lucru IceCube Neutrino Sources între 2019 și 2022.
„Este o problemă interesantă, deoarece încă nu avem o explicație pentru aceste anomalii, dar ceea ce știm este că, cel mai probabil, ele nu reprezintă neutrini”, a spus Wissel.
În mod ciudat, un alt tip de neutrin, numit neutrin tau, este una dintre ipotezele avansate de unii oameni de știință ca fiind cauza semnalelor anomale.
Neutrinele tau se pot regenera. Când se descompun la energii ridicate, produc un alt neutrin tau, precum și o particulă numită lepton tau — similară unui electron, dar mult mai grea.
Dar ceea ce face scenariul tau neutrinului foarte puțin probabil este unghiul abrupt al semnalului, a spus Wissel.
„Te-ai aștepta ca toate aceste tau neutrini să fie foarte, foarte aproape de orizont, poate la unu până la cinci grade sub orizont”, a spus Wissel. „Acestea sunt la 30 de grade sub orizont. Este pur și simplu prea mult material. Ar pierde destul de multă energie și nu ar putea fi detectate.”
Viitorul detectării
La sfârșitul zilei, Gorham și ceilalți oameni de știință nu au nicio idee despre originea evenimentelor ANITA anormale. Până în prezent, nicio interpretare nu se potrivește cu semnalele, ceea ce îi determină pe oamenii de știință să încerce în continuare să rezolve misterul. Răspunsul ar putea fi însă la îndemână.
Wissel lucrează, de asemenea, la un nou detector, Payload for Ultra-High Energy Observations (PUEO), care va zbura deasupra Antarcticii timp de o lună, începând din decembrie. Mai mare și de 10 ori mai sensibil decât ANITA, PUEO ar putea dezvălui mai multe informații despre ceea ce cauzează semnalele anomale detectate de ANITA, a spus Wissel.
„În acest moment, este unul dintre aceste mistere de lungă durată”, a spus Wissel. „Sunt entuziasmat că, atunci când vom lansa PUEO, vom avea o sensibilitate mai bună. În principiu, ar trebui să putem înțelege mai bine aceste anomalii, ceea ce va contribui în mare măsură la înțelegerea contextului nostru și, în cele din urmă, la detectarea neutrinilor în viitor.”
Gorham a spus că PUEO, un acronim care face referire la bufnița hawaiană, ar trebui să aibă sensibilitatea necesară pentru a capta multe semnale anomale și pentru a ajuta oamenii de știință să găsească un răspuns.
„Uneori trebuie pur și simplu să te întorci la planșeta de desen și să încerci să înțelegi cu adevărat ce sunt aceste lucruri”, a spus Wissel. „Cel mai probabil scenariu este că este vorba de un fenomen fizic banal, care poate fi explicat, dar noi batem la toate ușile pentru a încerca să aflăm care este acesta.”
