Físicos foram deixados coçando a cabeça após a observação de dois sinais de rádio incomuns pela Antena Transiente Impulsiva Antártica (Anita). Enquanto muitos outros sinais detectados por ANITA são produzidos por raios cósmicos que caem pela atmosfera, os dois eventos anômalos parecem ser causados por partículas que viajam pela crosta terrestre. Essas partículas podem ser neutrinos, mas suas propriedades parecem estar em desacordo com o Modelo Padrão da física de partículas.
A ANITA, desenvolvida por uma colaboração liderada pelos EUA e financiada pela NASA, contém 96 antenas de rádio suspensas por um balão de hélio. Voando a uma altitude de quase 40 km por várias semanas de cada vez, detecta ondas de rádio provenientes de uma faixa de 1,3 milhão de quilômetros quadrados da Antártida. Seu objetivo principal é captar os sinais produzidos pelos neutrinos cósmicos viajando do espaço profundo para tentar identificar a origem dos raios cósmicos de energia ultra-alta - que se acredita serem produzidos nos mesmos lugares que os neutrinos cósmicos.
Os neutrinos de interesse passam pela Terra e interagem com os núcleos atômicos das camadas de gelo da Antártida, produzindo uma chuva de partículas carregadas que emitem ondas de rádio. ANITA também capta sinais dos raios cósmicos enquanto eles viajam para baixo e colidem com a atmosfera. Isso também gera ondas de rádio, que refletem no gelo e nas antenas da ANITA.
Polarizações do avisador
Os dois tipos de sinal podem ser distinguidos pela medição da polarização das ondas de rádio - os sinais dos raios cósmicos têm polarização horizontal, enquanto os sinais de neutrinos têm polarização vertical. Além disso, o observatório separa o pequeno subconjunto de chuveiros aéreos cujas emissões de rádio não refletem no gelo, mas sim em direção a ele em um ângulo muito raso quase paralelo ao solo. Como essas ondas não são refletidas, elas não sofrem inversão de fase, o que significa que elas estão 180 graus fora de fase em comparação com a variedade de saltos.
Os dados do primeiro voo da ANITA em 2006-7 continham um evento de aparência incomum. Isso era polarizado horizontalmente e, para todos os efeitos, parecia um sinal de um raio cósmico. Também não sofreu inversão de fase, sugerindo que a partícula originária teria viajado horizontalmente. No entanto, o sinal chegou a um ângulo muito mais acentuado - bem abaixo do horizonte.
Tentando explicar o que havia visto, Peter Gorham, da Universidade do Havaí, e colegas da ANITA, criaram a hipótese de que o sinal era causado não pelo banho de ar de um neutrino, mas pelo jato de ar do produto de interação de um neutrino, provavelmente um tau lepton. . A idéia é que um neutrino tau interagisse dentro ou logo abaixo do gelo, gerando um tau lepton que continuaria ao longo da trajetória do neutrino, mas só decairia depois que emergisse do gelo. As ondas de rádio resultantes seriam, portanto, polarizadas horizontalmente.
Mas essa ideia é problemática porque, ao contrário dos neutrinos de energias mais baixas, o tipo de neutrino de alta energia que teria sido responsável pelo sinal deveria interagir depois de percorrer algumas centenas de quilômetros pela Terra (a seção de interação de um neutrino fica muito maior). em energias mais altas). No entanto, os pesquisadores calcularam, dada a trajetória do neutrino, que ele deve ter passado por cerca de 7000 km de matéria sólida - que eles acham que só tem uma chance em 100.000 de fazer isso.
Atividades humanas
Gorham diz que o evento pode ter sido causado por atividades humanas, mas quando ele e seus colegas analisaram os dados do terceiro vôo da ANITA em 2014-15, eles detectaram um sinal similar. Os pesquisadores calculam que os dois eventos constituem uma evidência aproximada de uma anomalia inexplicável. "Ainda é possível que os eventos se devam a duas pessoas isoladas, cada uma transmitindo um único pulso de rádio muito longe da base antártica mais próxima", diz ele. "Mas isso parece muito improvável nesta fase."
Alan Watson, da Universidade de Leeds, no Reino Unido, concorda que é improvável que os sinais sejam antropogênicos. Um tau neutrino, por outro lado, ele diz, "parece razoável", mas acrescenta que está surpreso que eventos semelhantes não tenham sido vistos nem pelo detector IceCube no Pólo Sul nem pelo Observatório Pierre Auger, na Argentina.
Alexander Kusenko, da Universidade da Califórnia em Los Angeles, argumenta que é possível que os sinais tenham, de fato, saltado do gelo, mas não sofrido uma inversão de fase, talvez porque refletiram em uma camada de menor densidade abaixo da superfície. Pavel Motloch, da Universidade de Chicago, por sua vez, sugere que a seção transversal da interação dos neutrinos pode ter sido mal calculada. "Os cálculos são verificados experimentalmente em energias muito menores do que as sondas ANITA e a extrapolação é sempre perigosa", diz ele.
Ligação cósmica
Outra possibilidade explorada pelo grupo de Gorham é a ativação de uma fonte muito poderosa de neutrinos cósmicos no ponto certo no espaço e no tempo para fornecer o fluxo necessário para superar o poder de parada da Terra. Vasculhando catálogos astrofísicos, ele e seus colegas encontraram uma possível fonte para o segundo evento - uma supernova observada em 2014 - mas nenhum candidato óbvio para o primeiro.
Isso deixa a porta aberta para possibilidades mais exóticas. Na verdade, diz Gorham, vários teóricos estão agora avaliando se os eventos incomuns podem estar relacionados a neutrinos estéreis - primos excepcionalmente inertes de neutrinos normais previstos por algumas extensões do Modelo Padrão que poucos grupos afirmam ter evidência. A ideia é que os neutrinos estéreis atravessariam a maior parte da Terra antes de se transformarem em neutrinos tau logo abaixo da superfície.
No entanto, Gorham reconhece que resolver o mistério não será fácil. “Essas estatísticas limitadas dificultam realmente determinar a causa dos eventos anômalos”, diz ele. "Mas vamos continuar tentando."
A pesquisa é relatada em um artigo sobre arXiv que foi aceito para publicação na Physical Review Letters .
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