A tudósok egy évtizedes rejtélyt próbálnak megoldani azzal, hogy meghatározzák az Antarktisz jégrétege alatt észlelt rendellenes jelek eredetét.
A furcsa rádióhullámok egy másik szokatlan jelenség, a neutrínóknak nevezett nagy energiájú kozmikus részecskék kutatása során jelentek meg. A kozmosz távoli pontjairól a Földre érkező neutrínók gyakran „szellemszerűnek” nevezik, mert rendkívül illékonyak, és bármilyen anyagot áthatolnak anélkül, hogy megváltoznának.
Az elmúlt évtizedben a kutatók több kísérletet is végeztek hatalmas víz- és jégterületeken, hogy neutrínókat keressenek, amelyek fényt deríthetnek a titokzatos kozmikus sugárzásra, a legtitokzatosabb részecskéire. Az egyik ilyen projekt a NASA Antarktisz Impulzusos Tranziens Antenna (ANITA) kísérlete volt, amelynek keretében 2006 és 2016 között műszerekkel felszerelt ballonokat repítettek az Antarktisz felett.
Ezen a kutatás során az ANITA olyan rendellenes rádióhullámokat észlelt, amelyek nem tűntek neutrínóknak.
A jeleket a horizont alatt erzekelték, ami arra utalt, hogy több ezer kilométernyi kőzeten hatoltak át, mielőtt elérték a detektort, de a rádióhullámokat a kőzetnek el kellett volna nyelnie. Az ANITA csapata úgy vélte, hogy ezeket a rendellenes jeleket a részecskefizika jelenlegi ismeretei alapján nem tudják megmagyarázni.
Más műszerekkel végzett további megfigyelések és elemzések, köztük a Pierre Auger Obszervatórium által nemrégiben Argentínában végzett vizsgálatok nem tudták azonosítani ugyanazokat a jeleket. A Pierre Auger Collaboration eredményeit márciusban publikálták a Physical Review Letters folyóiratban.
A rendellenes jelek eredete továbbra is tisztázatlan – mondta Stephanie Wissel, a tanulmány társszerzője, a Pennsylvaniai Állami Egyetem fizika, csillagászat és asztrofizika tanszékének docense.
„Új tanulmányunk szerint ilyen (jelek) nem fordultak elő a Pierre Auger Obszervatóriumban kísérleteiben” – mondta Wissel. „Ez tehát nem jelenti azt, hogy új fizikai jelenséggel van dolgunk, hanem inkább azt, hogy több információval gazdagodtunk.”
A tudósok szerint nagyobb, érzékenyebb detektorok segítségével lehet megoldani a rejtélyt, vagy véglegesen bizonyítani, hogy az anomália véletlenek eredetű, miközben folytatódik a rejtélyes neutrínók és forrásaik kutatása.
A neutrínók kutatása
A neutrínók földi észlelése lehetővé teszi a kutatók számára, hogy visszakövessék őket forrásukig, amely a tudósok szerint elsősorban a bolygónk légkörét elérő kozmikus sugárzás.
Az univerzum legenergikusabb részecskéi, a kozmikus sugarak, főként protonokból vagy atommagokból állnak, és az univerzumban szabadon terjednek, mert az őket előállító erő olyan hatalmas részecskegyorsító, hogy a Nagy Hadronütköztető képességeit is messze felülmúlja. A neutrínók segíthetnek a csillagászoknak jobban megérteni a kozmikus sugarakat és azt, hogy mi indítja őket útjukra.
A neutrínók azonban nehezen észlelhetők, mert szinte nincs tömegük, és változatlanul áthatolnak a legszélsőségesebb környezeten is, például a csillagokon és a galaxisokon, viszont kölcsönhatásba lépnek a vízzel és a jéggel.
Az ANITA-t arra tervezték, hogy az univerzum legmagasabb energiájú neutrínóit keresse, még a eddig észleltnél is nagyobb energiájúakat – mondta Justin Vandenbroucke, a Madisoni Wisconsin Egyetem fizika tanszékének docense. A kísérlet rádióantennái a neutrínók és az antarktiszi jégben lévő atomok ütközésekor keletkező rövid rádióhullám-impulzusokat keresik, amelyek alacsonyabb energiájú részecskék záporát eredményezik – magyarázta.
Repülései során az ANITA nagy energiájú részecskeáramlatokat talált, amely a jégből indult, mint egyfajta fejjel lefelé irányuló kozmikus sugárzás. A detektor érzékeny a Földre hulló, rendkívül nagy energiájú kozmikus sugárzásra is, amely rádióhullámokból álló villanásszerű jeleket hoz létre.
Amikor az ANITA kozmikus sugárzást észlel, a villanófény valójában egy milliárdod másodpercig tartó rádióhullám-kitörés, amely hullámként ábrázolható, és így megmutatja, hogyan verődik vissza a jégről.
Anomália az adatokban
Az ANITA repüléseinek adataiban az eredeti kutatócsoport kétszer is olyan jeleket észlelt, amelyek a jégből sokkal meredekebb szögben érkeztek, mint amit bármelyik modell előre jelezett, így lehetetlen volt a jelek eredeti forrását meghatározni.
„A rádióhullámok, amelyeket közel egy évtizeddel ezelőtt észleltünk, nagyon meredek szögben érkeztek, mintegy 30 fokkal a jég felszíne alatt” – mondta Wissel.
A neutrínók sok anyagon áthatolnak, de nem jutnak át a Földön, mondta Vandenbroucke.
„Várhatóan a horizont alatt érkeznek, ahol nincs olyan kőzet, ami elnyelhetné őket” – írta egy e-mailben. „Az ANITA anomáliái azért érdekesek, mert úgy tűnik, hogy jóval a horizont alattról érkeznek, így a neutrínóknak a Föld nagy részén át kellene haladniuk. Ez a részecskefizika standard modellje szerint lehetetlen.”
A Pierre Auger Collaboration, amely több száz tudóst tömörít világszerte, több mint egy évtizednyi adatot elemezve próbálta megérteni az ANITA által észlelt rendellenes jeleket.
A csapat a saját obszervatóriumát is felhasználta, hogy megpróbálja megtalálni ugyanazokat a jeleket. Az Auger Obszervatórium egy hibrid detektor, amely két módszert alkalmaz a kozmikus sugárzás észlelésére és tanulmányozására. Az egyik módszer a nagy energiájú részecskéknek a Föld felszínén található tartályokban lévő vízzel való kölcsönhatásán alapul, a másik pedig a bolygónk légkörének magasabb rétegeiben az ultraibolya fénnyel való potenciális kölcsönhatásokat követi nyomon.
„Az Auger Obszervatórium egy teljesen más technikát alkalmaz az ultra-magas energiájú kozmikus sugárzások megfigyelésére: a töltött részecskék másodlagos fényét használja, amikor azok áthaladnak a légkörön, hogy meghatározza a kozmikus sugárzás irányát, amely azt kiváltotta” – mondta Peter Gorham, a Hawaii Egyetem fizika professzora. „Számítógépes szimulációk segítségével megalkották, hogy hogyan nézne ki egy ilyen részecskeszóró, ha úgy viselkedne, mint az ANITA anomáliái, és így létrehoztak egyfajta sablont hasonló eseményekhez, amelyet aztán az adatokra vetítenek, hogy találnak-e valami hasonlót.”
Gorham, aki nem vett részt az új kutatásban, az ANITA-kísérletet tervezte, és más kutatásokat is végzett az anomális jelek jobb megértése érdekében.
Míg az Auger Obszervatóriumot az atmoszférában ultra-magas energiájú kozmikus sugárzás által keltett lefelé irányuló részecske források mérésére tervezték, a csapat átalakította adatelemzését, hogy felfelé irányuló forrásokat keressen, mondta Vandenbroucke.
„Az Auger hatalmas gyűjtőterülettel rendelkezik az ilyen eseményekhez, nagyobb, mint az ANITA” – mondta. „Ha az ANITA rendellenes eseményeit a Földön áthaladó részecskék okozzák, amelyek felfelé irányuló aramlatokat hoznak létre, akkor az Augernek sok ilyen jelzést kellett volna észlelnie, de nem így történt.”
Az IceCube kísérlet keretében, amelynek érzékelői mélyen a déli-sarki jégbe vannak beágyazva, egy külön megfigyelés is vizsgálta az anomáliát.
„Mivel az IceCube nagyon érzékeny, ha az ANITA által észlelt rendellenes események neutrínók voltak, akkor azokat mi is észleltük volna” – írta Vandenbroucke, aki 2019 és 2022 között az IceCube Neutrino Sources munkacsoport társelnöke volt.
„Ez egy érdekes probléma, mert még mindig nincs magyarázatunk arra, hogy mik ez az anomália, de azt tudjuk, hogy nagy valószínűséggel nem neutrínók” – mondta Wissel.
Egy másik típusú neutrínó, a tau neutrínó, az egyik hipotézis alapja, amelyet egyes tudósok az anomália okaként vetettek fel.
A tau-neutrínók regenerálódhatnak. Amikor nagy energiával bomlanak, egy másik tau-neutrínót, valamint egy tau-lepton részecskét hoznak létre, amely hasonló az elektronhoz, de sokkal nehezebb. De ami a tau-neutrínó forgatókönyvet nagyon valószínűtlenné teszi, az a jelhez kapcsolódó szög meredeksége, mondta Wissel.
„Az összes tau-neutrínó esetében azt várnánk, hogy nagyon közel legyenek a horizonthoz, talán 1-5 fokkal a horizont alatt” – mondta Wissel. „Ezek viszont 30 fokkal a horizont alatt vannak. Túl sok anyag van ott. Valójában elég sok energiát veszítenének, és nem lennének kimutathatók.”
A detektálás jövője
Gorham és a többi tudós sem tudja, mi az oka az ANITA által észlelt rendellenes jelenségeknek. Eddig egyetlen magyarázat sem illik a jelekhez, ezért a tudósok továbbra is próbálják megfejteni a rejtélyt. A válasz azonban már közel lehet.
Wissel egy új detektoron is dolgozik, a Payload for Ultra-High Energy Observations (PUEO) nevű eszközön, amely decembertől egy hónapig repül majd az Antarktisz felett. Az ANITA-nál nagyobb és tízszer érzékenyebb PUEO több információt adhat az ANITA által észlelt rendellenes jelek okáról – mondta Wissel.
„Jelenleg ez egyike azoknak a régóta fennálló rejtélyeknek” – mondta Wissel. „Izgatottan várom, hogy a PUEO repülése során jobb érzékenységet érjünk el. Elvileg jobban megérthetjük majd ezeket az jeleket, ami jövőben nagyban hozzájárulhat a neutrínók kimutatásához.”
Gorham szerint a PUEO, amely a hawaii bagolyra utal, elég érzékeny ahhoz, hogy sok rendellenes jelet rögzítsen, és segítsen a tudósoknak megtalálni a választ.
„Néha egyszerűen vissza kell térni a rajztáblához, és alaposan meg kell vizsgálni, hogy mik is ezek a dolgok” – mondta Wissel. „A legvalószínűbb forgatókönyv az, hogy valami hétköznapi fizikai jelenségről van szó, csak hosszadalmas, amíg eljutunk majd ehhez a magyarázathoz.”
Kép: ANITA berendezés
CNN
