Um detector de partículas cósmicas na Antártica emitiu uma série de sinais bizarros que desafiam o entendimento atual da física de partículas, de acordo com um grupo de pesquisa internacional que inclui cientistas da Penn State. Os pulsos de rádio incomuns foram detectados pelo experimento de antena transitória impulsiva antártica (Anita), uma variedade de instrumentos voados em balões acima da Antártica, projetados para detectar ondas de rádio de raios cósmicos que atingem a atmosfera.
O objetivo do experimento é obter informações sobre eventos cósmicos distantes, analisando sinais que atingem a Terra. Em vez de refletir o gelo, os sinais – uma forma de ondas de rádio – pareciam estar vindo de baixo do horizonte, uma orientação que não pode ser explicada pelo entendimento atual da física de partículas e pode sugerir novos tipos de partículas ou interações anteriormente desconhecidas na ciência, disse a equipe.
Os pesquisadores publicaram seus resultados na revista física de revisão.
“As ondas de rádio que detectamos eram realmente ângulos íngremes, como 30 graus abaixo da superfície do gelo”, disse Stephanie Wissel, professora associada de física, astronomia e astrofísica que trabalhou na equipe da Anita procurando sinais de partículas indescritíveis chamadas neutrinos.
Ela explicou que, pelos cálculos deles, o sinal anômalo teve que passar e interagir com milhares de quilômetros de rocha antes de chegar ao detector, o que deveria ter deixado o sinal de rádio indetectável porque teria sido absorvido pela rocha.
“É um problema interessante, porque ainda não temos uma explicação para o que são essas anomalias, mas o que sabemos é que eles provavelmente não representam neutrinos”, disse Wissel.
Os neutrinos, um tipo de partícula sem carga e a menor massa de todas as partículas subatômicas, são abundantes no universo. Geralmente emitido por fontes de alta energia, como o Sol ou grandes eventos cósmicos, como supernovas ou até o Big Bang, há sinais de neutrinos em todos os lugares. O problema com essas partículas, porém, é que elas são notoriamente difíceis de detectar, explicou Wissel.
“Você tem um bilhão de neutrinos que passam pela miniatura a qualquer momento, mas os neutrinos não interagem”, disse ela. “Então, este é o problema da espada de dois gumes. Se os detectarmos, isso significa que eles viajaram por todo esse caminho sem interagir com mais nada. Poderíamos estar detectando um neutrino vindo da borda do universo observável”.
Uma vez detectados e rastreados até sua fonte, essas partículas podem revelar mais sobre eventos cósmicos do que os telescópios mais de alta potência, acrescentou Wissel, pois as partículas podem viajar não perturbadas e quase tão rápido quanto a velocidade da luz, dando pistas sobre eventos cósmicos que aconteceram com os anos de distância.
Wissel e equipes de pesquisadores de todo o mundo estão trabalhando para projetar e construir detectores especiais para capturar sinais sensíveis de neutrinos, mesmo em quantidades relativamente pequenas. Mesmo um pequeno sinal de um neutrino detém um tesouro de informação, então todos os dados têm significado, disse ela.
“Usamos detectores de rádio para tentar construir telescópios de neutrinos muito grandes, para que possamos ir atrás de uma baixa taxa de eventos esperados”, disse Wissel, que projetou experimentos para detectar neutrinos na Antártica e na América do Sul.
A Anita é um desses detectores e foi colocado na Antártica porque há poucas chances de interferência de outros sinais. Para capturar os sinais de emissão, o detector de rádio transmitido por balão é enviado para voar sobre trechos de gelo, capturando o que é chamado de chuveiros de gelo.
“Temos essas antenas de rádio em um balão que voa 40 quilômetros acima do gelo na Antártica”, disse Wissel. “Aponto nossas antenas para o gelo e procuramos neutrinos que interagem no gelo, produzindo emissões de rádio que podemos sentir em nossos detectores”.
Esses neutrinos especiais que interagem com gelo, chamados neutrinos tau, produzem uma partícula secundária chamada Tau Lepton, que é liberada do gelo e decaimentos, o termo física referente-se a como a partícula perde energia à medida que viaja pelo espaço e divide seus constituintes. Isso produz emissões conhecidas como chuveiros aéreos.
Se eles fossem visíveis a olho nu, os chuveiros aéreos podem parecer um brilho acenado em uma direção, com faíscas atrás, explicou Wissel. Os pesquisadores podem distinguir entre os dois sinais – chuveiros de gelo e ar – para determinar atributos sobre a partícula que criou o sinal.
Esses sinais podem ser rastreados de volta à sua origem, semelhante à maneira como uma bola jogada em um ângulo se recuperará previsivelmente no mesmo ângulo, disse Wissel. Os recentes achados anômalos, no entanto, não podem ser rastreados de maneira que o ângulo seja muito mais nítido do que os modelos existentes prevêem.
Ao analisar dados coletados de vários vôos da Anita e compará-los com modelos matemáticos e simulações extensas de raios cósmicos regulares e chuveiros aéreos para cima, os pesquisadores foram capazes de filtrar o ruído de fundo e eliminar a possibilidade de outros sinais conhecidos baseados em partículas.
Os pesquisadores então referenciam sinais de outros detectores independentes, como o experimento do Icecube e o Observatório Pierre Auger, para verificar se os dados de chuveiros aéreos ascendentes, semelhantes aos encontrados por Anita, foram capturados por outros experimentos.
A análise revelou que os outros detectores não registraram nada que poderia ter explicado o que a Anita detectou, o que levou os pesquisadores a descrever o sinal como “anômalo”, o que significa que as partículas que causam o sinal não são neutrinos, explicou Wissel. Os sinais não se encaixam na imagem padrão da física de partículas e, embora várias teorias sugerem que ela pode ser uma pitada de matéria escura, a falta de observações de acompanhamento com Icecube e trado realmente restringem as possibilidades, disse ela.
A Penn State construiu detectores e analisou sinais de neutrino há quase 10 anos, explicou Wissel, e acrescentou que sua equipe está atualmente projetando e construindo o próximo grande detector. O novo detector, chamado Pueo, será maior e melhor na detecção de sinais de neutrino, disse Wissel, e espero esclarecer o que exatamente é o sinal anômalo.
“Meu palpite é que algum efeito interessante de propagação de rádio ocorre perto de gelo e também perto do horizonte que eu não entendo completamente, mas certamente exploramos vários deles, e ainda não conseguimos encontrar nenhum deles”, disse Wissel. “Então, agora, é um desses mistérios de longa data, e estou empolgado com o fato de que, quando voamos no pueo, teremos melhor sensibilidade. Em princípio, devemos pegar mais anomalias, e talvez realmente entendamos o que são. Também podemos detectar neutrinos, o que, de alguma maneira, seria muito mais emocionante.”
O outro co-autor da Penn State é Andrew Zeolla, candidato a doutorado em física. A pesquisa realizada por cientistas da Penn State foi financiada pelo Departamento de Energia dos EUA e pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA. O artigo contém a lista completa de colaboradores e autores.
