Strane formazioni di ghiaccio potrebbero aver indotto i fisici a vedere particelle misteriose che non c'erano

E se una delle scoperte più strane e sconvolgenti della fisica delle particelle si fosse rivelata un'illusione??

Da marzo 2016, due misteriosi segnali dall'Antartide hanno sconcertato i ricercatori. Per due volte, una particella ad alta energia è sembrata esplodere direttamente dal ghiaccio, facendo scattare i rivelatori su un esperimento trasportato da un palloncino che galleggiava sopra di loro. È come se le particelle avessero attraversato tutta la Terra indenni. Ma dovrebbe essere quasi impossibile: nessuna delle particelle conosciute, che sono descritte collettivamente in un modello fisico noto come Modello Standard, può compiere quel viaggio a livelli di alta energia.

Particelle altrimenti identiche possono trasportare diversi carichi di energia e la quantità di energia trasportata da una particella può modificarne il comportamento. I neutrini spettrali a bassa energia possono scivolare indisturbati attraverso tutta la crosta del pianeta, la roccia fusa e il ferro. Ma non danno abbastanza forza per creare i segnali trovati in Antartide. I neutrini ad alta energia sono abbastanza potenti da creare i segnali. Ma poiché questi neutrini ad alta energia hanno "sezioni d'urto" più grandi - hanno un impatto su una regione più grande dello spazio circostante - tendono a sbattere contro le cose piuttosto che scivolare attraverso di esse. È la differenza tra lanciare una biglia attraverso una rete da pesca e provare a tirare un pallone da spiaggia attraverso gli stessi spazi vuoti. Nessun neutrino noto ad alta energia dovrebbe essere in grado di attraversare l'intera Terra ed emergere dal ghiaccio antartico.

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I fisici hanno definito le due rilevazioni "l'anomalia ANITA", dal nome dell'Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) della NASA, il rilevatore aereo che ha captato i segnali. Hanno confrontato i risultati di ANITA con i risultati di IceCube - un osservatorio di neutrini molto più grande in Antartide - e hanno trovato maggiore supporto per l'idea di aver trovato qualcosa che nessuno aveva visto prima. E hanno preso sul serio l'idea che ANITA potesse essere incappata in qualcosa al di là del Modello Standard.

Ora, in un nuovo articolo pubblicato il 24 aprile sulla rivista Annals of Glaciology, un team congiunto di fisici e glaciologi sostiene che l'anomalia ANITA probabilmente non è una prova per la nuova fisica. Invece, potrebbe essere semplicemente un trucco del ghiaccio. Strutture complesse e nascoste nella distesa bianca potrebbero aver riflesso le onde radio in modi inaspettati, inducendo i ricevitori radio di ANITA a registrare la particella come se provenisse dall'interno della Terra.

Come ha funzionato l'anomalia

ANITA non è mai stata concepita per cacciare nuove particelle.

"In un certo senso è un esperimento davvero semplice", ha affermato Ian Shoemaker, fisico della Virginia Tech e autore principale del nuovo articolo. "Tutto ciò che hanno fondamentalmente è un grande pallone, e sul fondo di esso è un gruppo di ricevitori radio. E tutto ciò che stanno rilevando da qualsiasi evento è un segnale radio".

Ma i segnali radio possono contenere molte informazioni sulle particelle nell'intervallo di alta energia estrema.

Quando ANITA è stato costruito, è stato progettato per dare la caccia a una sorta di evento esotico previsto dal Modello Standard. I neutrini tau ad alta energia - uno dei tre tipi di neutrino insieme ai neutrini elettronici e muonici - sono tra le particelle più sfuggenti nel Modello Standard. Questi neutrini dovrebbero colpire la Terra abbastanza spesso dallo spazio profondo. Ma sono difficili da rilevare.

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Quando i neutrini tau colpiscono qualcosa e decadono, producono un altro tipo di particella chiamata tau. La speranza era che in Antartide i neutrini tau a volte colpissero la Terra ad angoli sufficientemente bassi da decadere nel ghiaccio, producendo una particella tau e un caratteristico segnale radio rilevabile dal passaggio del tau attraverso il ghiaccio. Quel segnale radio ha una forma d'onda prevedibile: un grande picco, un grande avvallamento, un picco più piccolo e uno più piccolo - una forma determinata principalmente dal campo magnetico terrestre. E colpirebbe ANITA dal basso e di lato, a testimonianza dell'angolo di sguardo con cui ha colpito il pianeta.

ANITA ha raccolto una manciata di eventi del genere, così come i segnali dei raggi cosmici provenienti direttamente dall'Antartide dallo spazio profondo. Quando ciò accade, una particella energizzata, forse un protone, colpisce l'atmosfera sopra l'Antartide, esplode in una pioggia di particelle cariche più piccole e produce un'esplosione radio che si riflette sul ghiaccio prima di colpire ANITA. Di nuovo, questi eventi producono la stessa forma d'onda dei neutrini tau. La forma è in gran parte determinata dal campo magnetico terrestre e porta solo deboli accenni alle particelle stesse, ha detto Shoemaker .

Ma ANITA può distinguere un neutrino tau da un raggio cosmico di base: quando le onde radio colpiscono il ghiaccio e rimbalzano su ANITA, le loro forme cambiano. Quindi, invece di vedere SU-GIÙ-su-giù di un tau che guarda attraverso il ghiaccio, ANITA vede il riflesso GIÙ-SU-giù-su di un raggio cosmico. E questi segnali dei raggi cosmici possono colpire ANITA da qualsiasi direzione mentre rimbalzano sul ghiaccio.

Le due anomalie ANITA non rientravano in nessuna delle due categorie. In ogni caso, ANITA ha rilevato la forma d'onda non specchiata che suggerirebbe un neutrino tau, SU-GIÙ-su-giù. Ma l'onda ha colpito ANITA con un angolo così acuto che per essere arrivata senza rimbalzare avrebbe dovuto passare attraverso un pezzo di Terra incredibilmente spesso.

Era un segnale che i progettisti di ANITA non si aspettavano quando hanno costruito il rilevatore e ha accennato alla possibilità che nuove particelle sconosciute esplodessero dall'Antartide.

Anomalia o illusione?

Dopo anni di studio, i fisici non hanno avuto una facile spiegazione per le anomalie, ha affermato Derek Fox, esperto di neutrini presso la Pennsylvania State University. Fox, un membro della collaborazione IceCube, non è stato coinvolto nell'esperimento ANITA o nel nuovo documento.

I fisici avevano proposto alcune spiegazioni insolite che non avrebbero infranto il Modello Standard. Un fenomeno noto come "radiazione di transizione coerente" potrebbe aver incasinato le onde radio provenienti da una doccia di raggi cosmici, hanno suggerito due teorici nel marzo 2019. O forse i segnali provenivano dagli effetti della materia oscura in un universo specchio, un documento del marzo 2018 proposto.

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Ma a parte queste spiegazioni più sconvolgenti, Fox ha detto, "le anomalie atmosferiche o glaciali sono praticamente ciò che ti rimane" prima che una nuova particella diventi l'unica spiegazione.

(È anche possibile che qualche problema strumentale con ANITA possa aver prodotto il segnale che ha detto, ma questo è dubbio dato quanto sia tecnicamente abile il team ANITA.)

Tuttavia, ha detto Fox, nessuno aveva ancora offerto una spiegazione convincente di come gli effetti dell'aria o del ghiaccio potessero produrre le anomalie ANITA. Questo prima che arrivasse il team di Shoemaker, con la sua insolita combinazione di fisici delle particelle, esperti di radio e glaciologi.

Gli autori del nuovo studio hanno avanzato una semplice argomentazione: quando le onde radio che passano attraverso l'aria rimbalzano su un oggetto denso, come lo strato superiore di ghiaccio, le loro forme d'onda si muovono nel modo previsto da ANITA. Ma ci sono altri tipi di riflessi che potrebbero ingannare i sensori di ANITA.

Quando un'onda che passa attraverso una sostanza ad alta densità (come la roccia) colpisce una sostanza a densità inferiore (come l'acqua), parte dell'energia dell'onda si rifletterà. Ma quel riflesso sembra diverso da quello che si verifica quando un'onda viaggia da un ambiente a bassa densità (come l'aria) a un oggetto ad alta densità (come il ghiaccio).

Mentre scendi dal cielo antartico verso il centro della Terra, come la pioggia di un raggio cosmico, incontrerai per lo più un ambiente più denso dopo l'altro. L'aria diventa sempre più densa. Poi colpisci il ghiaccio. Poi colpisci il rock. Poi finisci nel centro caldo e denso del pianeta. A ciascuna di queste transizioni, un'onda che rimbalza apparirebbe proprio come si aspetta ANITA.

Ma ci sono caratteristiche nel ghiaccio che non si adattano a quel modello, hanno sottolineato Shoemaker e i suoi colleghi. Crepacci innevati, regioni di cristalli sollecitati noti come "strati di tessuto di ghiaccio" e laghi di acqua liquida sepolti sotto la superficie ghiacciata potrebbero riflettere il segnale radio di un raggio cosmico senza rispecchiarlo.

Ma i laghi subglaciali e i crepacci innevati non sono abbastanza comuni da essere probabili spiegazioni per l'evento ANITA, hanno scoperto i ricercatori. I tessuti di ghiaccio e un'altra caratteristica del ghiaccio a bassa densità nota come "croste del vento" potrebbero spiegare le anomalie, hanno detto. Ma i glaciologi non hanno una buona padronanza di quanto siano comuni nella regione. Due caratteristiche, tuttavia, si distinguono come probabili spiegazioni, hanno scritto Shoemaker e il suo team.

Il primo è il firn, un tipo di acqua ghiacciata che non è morbida e sciolta come la neve fresca, ma non è ancora stata compressa in un unico blocco di ghiaccio. Gli strati di abete si sciolgono, si muovono e si ricongelano continuamente, producendo strati di alta e bassa densità. Nessuno ha cercato firn nelle regioni quando ANITA ha individuato le anomalie, ma è diffuso in Antartide e può riflettere le onde radio senza rispecchiarle.

L'altra possibilità è brutta. Strati di neve spessa e ghiaccio a volte nascondono strati di ghiaccio più deboli e friabili che hanno una densità inferiore rispetto al ghiaccio sopra di esso. Gli alpinisti conoscono e temono questo ghiaccio, secondo Ulyana Horodyskyj, una glaciologa del Colorado College che non era coinvolta in ANITA o nel giornale di Shoemaker. Quando strati deboli di brina scivolano sui fianchi delle montagne, il ghiaccio in alto può collassare in fretta, un evento noto come valanga. Ancora una volta, non ci sono ancora prove dirette di questo tipo di doppio strato nell'area ANITA. Ma la brina è diffusa in Antartide e potrebbe spiegare una riflessione insolita.

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Niente di tutto ciò è la prova che il team ANITA abbia scambiato uno strano ghiaccio per una particella in ascesa, hanno scritto gli autori. Ma mostra che ANITA da sola probabilmente non può distinguere i due così come pensavano i fisici.

"Esperimenti futuri non dovrebbero utilizzare l'inversione di fase [il passaggio della forma d'onda da SU-GIÙ-su-giù a GIÙ-SU-giù-su] come unico criterio per discriminare tra eventi discendenti e ascendenti, a meno che le proprietà di riflessione del sottosuolo sono ben compresi ", hanno scritto gli autori.

In altre parole, l'Antartide è troppo complicata per essere trattata come un semplice specchio senza uno studio accurato. I cristalli sepolti sotto la superficie possono giocare brutti scherzi. E quei trucchi potrebbero spiegare l'anomalia.

"Il ghiaccio è ghiaccio - finché non lo è, giusto?" Ha detto Horodyskyj .

I glaciologi usano le onde radio per studiare il ghiaccio tutto il tempo, ha detto. Il radar penetrante può rivelare caratteristiche che non sono visibili sulla superficie. Ma questi segnali sono spesso confusi e interpretarli può essere più un'arte che una scienza.

"Hai tutti questi diversi strati di densità che potrebbero lanciare l'intero segnale", ha detto Horodyskyj. "Se hai metallo, detriti, rocce, acqua e ghiaccio, questi sono davvero facili da distinguere. Hanno tutti il ​​loro segnale o impronta digitale. Ma una volta entrati in questi dettagli del ghiaccio, è davvero affascinante come anche la morbidezza del ghiaccio cambia il segnale. "

Non sorprende, ha detto, che queste sottili caratteristiche del ghiaccio possano creare l'illusione di una nuova fisica.

Domande aperte

I fisici hanno bisogno di vedere di più prima di essere convinti in un modo o nell'altro.

"È una possibile spiegazione", ha detto Peter Gorham, fisico dell'Università delle Hawaii a Mānoa e leader della collaborazione ANITA, "ma a mio parere abbastanza improbabile".

L'implicazione più sconcertante del documento di Shoemaker, ha detto Fox, è che qualunque caratteristica del ghiaccio possa aver creato l'anomalia riflette perfettamente il segnale.

In circostanze normali, un'onda che rimbalza su qualcosa non rimbalza in modo pulito, che sia specchiata o meno. Diverse lunghezze d'onda di solito si riflettono in modi diversi, ha detto Fox, lasciando tracce di ciò che i fisici chiamano "elaborazione".

"Il fatto è che ho guardato l'onda da solo", ha detto Fox, "e non ho visto nulla che mi sembrasse in elaborazione".

Se qualcosa rifletteva l'onda fino ad ANITA, lo faceva senza lasciare tracce rilevabili.

"Il segnale è molto pulito, abbastanza in linea con altri normali raggi cosmici che abbiamo osservato. Non ci sono prove nei dati di perturbazioni significative del segnale al di fuori di una normale riflessione", ha detto Gorham .

Il documento Shoemaker offre una spiegazione per questo; con la giusta struttura di densità, un riflettore potrebbe essere abbastanza uniforme su diverse lunghezze d'onda per elaborare un segnale pulito. Sarebbe come avere uno specchio super pulito.

In questo modello di specchio pulito, ci sarebbero state effettivamente due esplosioni radio per ogni anomalia ANITA. Una, la riflessione "primaria", sarebbe stata capovolta nel modo in cui ANITA si aspetta. Ma se la superficie fosse inclinata correttamente, rimbalzerebbe lontano dai sensori di ANITA. Solo la seconda raffica, quell'eco pulito e non specchiato avrebbe colpito i ricevitori di ANITA.

"Sebbene possibile, questo sembra richiedere una coincidenza molto difficile da valutare: uno strato sotterraneo delle giuste proprietà, combinato con una pendenza superficiale anch'essa con le giuste proprietà", ha detto Gorham.

Shoemaker ha detto che quando ha iniziato a studiare l'anomalia ANITA, sperava di trovare prove per una nuova fisica; non si è proposto di sfatare la scoperta.

A questo punto, però, ha detto: "Se qualcuno mi chiedesse 'È una sorta di nuovo neutrino sterile o assione o qualcosa [oltre le particelle del Modello Standard], o è ghiaccio?' Dovrei dire: "È ghiaccio". Le effettive inversioni di densità sono cose che sappiamo esistere, senza richiedere una nuova fisica. Quindi, se dovessi fare una scommessa, è quello su cui scommetterei ".

Mostrando rigorosamente quanto siano diffusi questi tipi di caratteristiche nella regione ANITA, il team di Shoemaker ha dimostrato con forza che una sorta di riflessione insolita potrebbe aver causato l'anomalia ANITA, ha detto Fox. Ma non è ancora un pugno ad eliminazione diretta per la nuova fisica. Per confermare o smentire il documento di Shoemaker, avresti bisogno di prove dirette per questo tipo di riflessione insolita che accade in Antartide.

Finora, ha detto Gorham, le prove sono a favore di niente di strano nel ghiaccio.

"Il gruppo ANITA ha fatto molti studi sul ghiaccio antartico e ha pubblicato diversi articoli anche nella letteratura glaciologica, risalendo per un decennio o più", ha detto. "Abbiamo studiato in dettaglio tramite altimetria satellitare e mappe radar il luogo di questi eventi, e per questo in particolare non sembra esserci nulla di insolito".

Ha aggiunto che la collaborazione ANITA ha i risultati preliminari di uno studio non ancora pubblicato che sembrerebbe contraddire quanto proposto da Shoemaker e dai suoi coautori.

Il documento di Shoemaker ha suggerito di inviare una squadra sui siti delle anomalie e di far rimbalzare le onde radio sul ghiaccio per vedere cosa sarebbe successo.

Horodyskyj era d'accordo con questo approccio.

"Ciò di cui hai bisogno è la verità di base", ha detto.

Questa parte dell'Antartide è insolitamente desolata, anche per quel continente vuoto, ha detto. Esaminando la letteratura glaciologica, ha detto, ha trovato pochi dati diretti sulla composizione del ghiaccio nella regione in cui ANITA ha individuato le anomalie. Poche carote di ghiaccio o altri studi sul terreno offrono un quadro sufficientemente chiaro del ghiaccio sotterraneo.

"Dovresti capire: qual è l'impronta dell'esperimento dall'aria che hanno fatto?" disse, riferendosi all'area di ghiaccio da cui sembrava provenire la particella ascendente. "Se è di 100 per 100 metri, vorresti fare esattamente la stessa cosa a terra: 100 per 100 metri, grigliato, metti i marker e gli angoli, e poi toglieresti il ​​radar."

Portare lentamente un radar sul terreno, ha detto, offrirebbe abbastanza dettagli per capire davvero il ghiaccio. A seconda della logistica, potresti camminare sul paesaggio, sciare o usare una motoslitta.

La mappatura dell'area pezzo per pezzo potrebbe rivelare la profondità delle transizioni dal fuoco al ghiacciaio e altri dettagli che non sarebbero rilevabili da lontano, ha detto..

"Nella zona in cui stanno lavorando, è piuttosto secca, quindi il livello del firn può estendersi molto in profondità rispetto alle parti lungo la costa dove c'è molto più scioglimento", ha detto. "E poi l'altra cosa che mi piacerebbe fare nel mezzo di quella griglia sarebbe [prendere] una carota di ghiaccio".

Un lungo tubo di ghiaccio fisico potrebbe rivelare ad occhio nudo eventuali strati inaspettati che potrebbero interferire con i segnali radio, ha detto.

Fino a quando non verranno effettuate ulteriori ricerche, Horodyskyj e Fox hanno concordato, sarà difficile sapere con certezza se la spiegazione di Shoemaker possa sfatare l'anomalia ANITA o se queste nuove scoperte siano del tutto escluse..

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