Mistični signali ispod antarktičkog leda

Detektor kozmičkih čestica na Antarktici emitirao je niz bizarnih signala koji prkose trenutnom razumijevanju fizike čestica, prema međunarodnoj istraživačkoj skupini koja uključuje znanstvenike sa Sveučilišta Penn State.

Neobični radio impulsi otkriveni su eksperimentom Antarktičke impulsne tranzijentne antene (ANITA), nizom instrumenata koji se lete na balonima visoko iznad Antarktike, a dizajnirani su za detekciju radiovalova iz kozmičkih zraka koje udaraju u atmosferu.

Cilj eksperimenta je dobiti uvid u udaljene kozmičke događaje analizom signala koji dopiru do Zemlje. Umjesto da se reflektiraju od leda, signali - oblik radiovalova - čini se da dolaze ispod horizonta, orijentacija koja se ne može objasniti trenutnim razumijevanjem fizike čestica i mogla bi ukazivati ​​na nove vrste čestica ili interakcija koje su prije bile nepoznate znanosti, rekao je tim.

„Radio valovi koje smo detektirali bili su pod vrlo strmim kutovima, poput 30 stupnjeva ispod površine leda“, rekla je Stephanie Wissel, izvanredna profesorica fizike, astronomije i astrofizike koja je radila u ANITA timu tražeći signale od neuhvatljivih čestica zvanih neutrini.

Objasnila je da je, prema njihovim izračunima, anomalni signal morao proći kroz tisuće kilometara stijene i stupiti u interakciju s njom prije nego što je stigao do detektora, što bi trebalo ostaviti radio signal neotkrivenim jer bi ga stijena apsorbirala.

„To je zanimljiv problem jer još uvijek nemamo objašnjenje za te anomalije, ali ono što znamo jest da najvjerojatnije ne predstavljaju neutrine“, rekla je Wissel.

Neutrini, vrsta čestica bez naboja i s najmanjom masom od svih subatomskih čestica, obiluju u svemiru. Obično ih emitiraju visokoenergetski izvori poput Sunca ili veliki kozmički događaji poput supernova ili čak Velikog praska, a signali neutrina prisutni su posvuda. Problem s tim česticama je, međutim, taj što ih je izuzetno teško detektirati, objašnjava Wissel.

„U svakom trenutku imate milijardu neutrina koji prolaze kroz vaš nokat, ali neutrini zapravo ne interagiraju“, rekla je. „Dakle, ovo je problem dvosjeklog mača. Ako ih detektiramo, to znači da su putovali cijelim ovim putem bez interakcije s bilo čime drugim. Mogli bismo detektirati neutrino koji dolazi s ruba vidljivog svemira.“

Nakon što se otkriju i prate do svog izvora, ove čestice mogu otkriti više o kozmičkim događajima čak i od najsnažnijih teleskopa, dodla je Wissel, jer čestice mogu putovati nesmetano i gotovo brzinom svjetlosti, dajući tragove o kozmičkim događajima koji su se dogodili svjetlosnim godinama daleko.

Wissel i timovi istraživača diljem svijeta rade na dizajniranju i izgradnji posebnih detektora za hvatanje osjetljivih neutrinskih signala, čak i u relativno malim količinama. Čak i jedan mali signal neutrina sadrži riznicu informacija, tako da svi podaci imaju značaj.

„Koristimo radio detektore kako bismo pokušali izgraditi stvarno, stvarno velike neutrinske teleskope kako bismo mogli postići prilično nisku očekivanu stopu događaja“, rekla je Wissel, koja je osmislila eksperimente za uočavanje neutrina na Antarktici i u Južnoj Americi.

ANITA je jedan od tih detektora, a postavljen je na Antarktiku jer postoji mala vjerojatnost interferencije s drugim signalima. Kako bi se uhvatili emisijski signali, radio detektor u balonu šalje se da leti iznad ledenih površina, bilježeći ono što se naziva ledenim pljuskovima.

„Imamo ove radio antene na balonu koji leti 40 kilometara iznad leda na Antarktiku“, rekla je Wissel. „Usmjeravamo naše antene prema ledu i tražimo neutrine koji međusobno djeluju u ledu, proizvodeći radio emisije koje zatim možemo osjetiti na našim detektorima.“

Ovi posebni neutrini koji interagiraju s ledom, nazvani tau neutrini, proizvode sekundarnu česticu nazvanu tau lepton koja se oslobađa iz leda i raspada, fizikalni termin koji se odnosi na to kako čestica gubi energiju dok putuje kroz svemir i raspada se na svoje sastojke. To proizvodi emisije poznate kao zračni pljuskovi.

Kad bi bili vidljivi golim okom, zračni pljuskovi bi izgledali poput prskalice mahane u jednom smjeru, s iskrama koje za sobom ostavljaju, objasnio je Wissel. Istraživači mogu razlikovati dva signala - ledene i zračne pljuskove - kako bi odredili atribute čestice koja je stvorila signal.

Ti se signali zatim mogu pratiti do svog podrijetla, slično kao što će se lopta bačena pod kutom predvidljivo odbiti pod istim kutom, rekla je Wissel. Nedavni anomalni nalazi, međutim, ne mogu se pratiti na takav način jer je kut mnogo oštriji nego što predviđaju postojeći modeli.

Analizirajući podatke prikupljene s više ANITA letova i uspoređujući ih s matematičkim modelima i opsežnim simulacijama običnih kozmičkih zraka i uzlaznih zračnih pljuskova, istraživači su uspjeli filtrirati pozadinsku buku i eliminirati mogućnost drugih poznatih signala temeljenih na česticama.

Istraživači su zatim usporedili signale s drugih neovisnih detektora poput IceCube eksperimenta i opservatorijaPierre Auger kako bi vidjeli jesu li podaci o uzlaznim zračnim pljuskovima, sličnim onima koje je pronašla ANITA, zabilježeni drugim eksperimentima.

Analiza je otkrila da drugi detektori nisu registrirali ništa što bi moglo objasniti što je ANITA detektirala, što je navelo istraživače da signal opišu kao "anomalan", što znači da čestice koje uzrokuju signal nisu neutrini, objasnila je Wissel. Signali se ne uklapaju u standardnu ​​sliku fizike čestica i, iako nekoliko teorija sugerira da bi to mogao biti nagovještaj tamne materije, nedostatak naknadnih opažanja s IceCubeom i Augerom doista sužava mogućnosti, rekla je.

Penn State već gotovo 10 godina gradi detektore i analizira neutrinske signale, objasnila je Wissel i dodala da njezin tim trenutno dizajnira i gradi sljedeći veliki detektor. Novi detektor, nazvan PUEO, bit će veći i bolji u detekciji neutrinskih signala, rekla je Wissel, i nada se da će rasvijetliti što je točno anomalni signal.