Un detector de partículas cósmicas en la Antártida ha emitido una serie de señales extrañas que desafían la comprensión actual de la física de partículas, según un grupo de investigación internacional que incluye a científicos de la Universidad Estatal de Pensilvania. Los inusuales pulsos de radio fueron detectados por el experimento de la Antena Transitoria Impulsiva Antártica (ANITA), una serie de instrumentos que vuelan en globos sobre la Antártida y están diseñados para detectar las ondas de radio de los rayos cósmicos que inciden en la atmósfera.
El objetivo del experimento es comprender mejor los eventos cósmicos distantes mediante el análisis de las señales que llegan a la Tierra. En lugar de reflejarse en el hielo, las señales —una forma de ondas de radio— parecían provenir de debajo del horizonte, una orientación que no se puede explicar con los conocimientos actuales de la física de partículas y que podría indicar nuevos tipos de partículas o interacciones previamente desconocidas para la ciencia, según el equipo. Los investigadores publicaron sus resultados en la revista Physical Review Letters.
“Las ondas de radio que detectamos estaban en ángulos muy pronunciados, como 30 grados debajo de la superficie del hielo”, dijo Stephanie Wissel, profesora asociada de física, astronomía y astrofísica que trabajó en el equipo ANITA en busca de señales de partículas esquivas llamadas neutrinos.
Explicó que, según sus cálculos, la señal anómala tuvo que atravesar e interactuar con miles de kilómetros de roca antes de llegar al detector, lo que debería haber dejado la señal de radio indetectable porque habría sido absorbida por la roca.
“Es un problema interesante porque todavía no tenemos una explicación real de qué son esas anomalías, pero lo que sí sabemos es que lo más probable es que no representen neutrinos”, dijo Wissel.
Los neutrinos, un tipo de partícula sin carga y con la masa más pequeña de todas las partículas subatómicas, abundan en el universo. Generalmente emitidos por fuentes de alta energía como el Sol o grandes eventos cósmicos como supernovas o incluso el Big Bang, existen señales de neutrinos por todas partes. Sin embargo, el problema con estas partículas es que son notoriamente difíciles de detectar, explicó Wissel.
“Mil millones de neutrinos pasan por la uña del pulgar en cualquier momento, pero en realidad no interactúan”, dijo. “Así que este es un arma de doble filo. Si los detectamos, significa que han recorrido todo este camino sin interactuar con nada más. Podríamos estar detectando un neutrino procedente de los confines del universo observable”.
Una vez detectadas y rastreadas hasta su origen, estas partículas pueden revelar más sobre los eventos cósmicos que incluso los telescopios más potentes, agregó Wissel, ya que las partículas pueden viajar sin perturbaciones y casi tan rápido como la velocidad de la luz, dando pistas sobre eventos cósmicos que ocurrieron a años luz de distancia. Wissel y equipos de investigadores de todo el mundo han estado trabajando en el diseño y la construcción de detectores especiales para capturar señales sensibles de neutrinos, incluso en cantidades relativamente pequeñas. Incluso una pequeña señal de un neutrino contiene una gran cantidad de información, por lo que todos los datos son relevantes, afirmó.
“Utilizamos detectores de radio para intentar construir telescopios de neutrinos realmente grandes, de modo que podamos buscar una tasa de eventos esperada bastante baja”, dijo Wissel, quien ha diseñado experimentos para detectar neutrinos en la Antártida y Sudamérica.
ANITA es uno de estos detectores, y se instaló en la Antártida debido a la baja probabilidad de interferencia de otras señales. Para captar las señales de emisión, el radiodetector, transportado en globo, se envía a sobrevolar extensiones de hielo, capturando lo que se conoce como lluvias de hielo.
“Tenemos estas antenas de radio en un globo que vuela a 40 kilómetros sobre el hielo de la Antártida”, explicó Wissel. “Apuntamos nuestras antenas hacia el hielo y buscamos neutrinos que interactúan con él, produciendo emisiones de radio que luego podemos detectar con nuestros detectores”.
Estos neutrinos especiales que interactúan con el hielo, llamados neutrinos tau, producen una partícula secundaria llamada leptón tau, que se libera del hielo y se desintegra. Este término físico se refiere a cómo la partícula pierde energía al viajar por el espacio y se descompone en sus componentes. Esto produce emisiones conocidas como lluvias de aire.
Si fueran visibles a simple vista, las lluvias de aire podrían parecer una bengala ondeando en una dirección, con chispas a su paso, explicó Wissel. Los investigadores pueden distinguir entre las dos señales (hielo y lluvia de aire) para determinar los atributos de la partícula que la creó.
Estas señales pueden rastrearse hasta su origen, de forma similar a cómo una pelota lanzada en ángulo rebota previsiblemente en el mismo ángulo, explicó Wissel. Sin embargo, los recientes hallazgos anómalos no pueden rastrearse de esta manera, ya que el ángulo es mucho más pronunciado de lo que predicen los modelos existentes.
Al analizar datos recopilados en múltiples vuelos de ANITA y compararlos con modelos matemáticos y simulaciones exhaustivas de rayos cósmicos regulares y lluvias de aire ascendentes, los investigadores pudieron filtrar el ruido de fondo y eliminar la posibilidad de otras señales conocidas basadas en partículas. Los investigadores luego cruzaron señales de otros detectores independientes como el Experimento IceCube y el Observatorio Pierre Auger para ver si los datos de las lluvias de aire ascendentes, similares a las encontradas por ANITA, fueron capturados por otros experimentos.
El análisis reveló que los otros detectores no registraron nada que pudiera explicar lo que ANITA detectó, lo que llevó a los investigadores a describir la señal como “anómala”, lo que significa que las partículas que causan la señal no son neutrinos, explicó Wissel. Las señales no encajan en la imagen estándar de la física de partículas, y aunque varias teorías sugieren que podría ser un indicio de materia oscura, la falta de observaciones de seguimiento con IceCube y Auger realmente limita las posibilidades, dijo.
La Universidad Estatal de Pensilvania ha construido detectores y analizado señales de neutrinos durante casi 10 años, explicó Wissel, y añadió que su equipo está diseñando y construyendo actualmente el próximo gran detector. El nuevo detector, llamado PUEO, será más grande y mejor para detectar señales de neutrinos, añadió Wissel, y se espera que arroje luz sobre la naturaleza exacta de la señal anómala.
“Supongo que se produce algún interesante efecto de propagación de radio cerca del hielo y también cerca del horizonte que no comprendo del todo, pero ciertamente exploramos varios de ellos y aún no hemos podido encontrar ninguno”, dijo Wissel.
“Así que, ahora mismo, es uno de esos misterios que llevan mucho tiempo sin resolverse, y me entusiasma que, cuando volemos con el PUEO, tengamos mayor sensibilidad. En principio, deberíamos detectar más anomalías y quizá comprendamos realmente qué son. También podríamos detectar neutrinos, lo que, en cierto modo, sería mucho más emocionante”.
El otro coautor de Penn State es Andrew Zeolla, candidato a doctorado en física.
Fuente: Phys.org.