Paul Sparks
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E se uma das descobertas mais estranhas e inquietantes da física de partículas acabasse sendo uma ilusão?
Desde março de 2016, dois sinais misteriosos da Antártica confundiram os pesquisadores. Duas vezes agora, uma partícula de alta energia parece estourar direto do gelo, disparando detectores em um experimento em balão flutuando no alto. É como se as partículas tivessem passado por toda a Terra ilesas. Mas isso deveria ser quase impossível: nenhuma das partículas conhecidas, que coletivamente são descritas em um modelo físico conhecido como o Modelo Padrão, pode fazer essa viagem em níveis de alta energia.
As partículas que são idênticas podem transportar diferentes cargas de energia, e a quantidade de energia que uma partícula está transportando pode mudar seu comportamento. Os neutrinos fantasmagóricos de baixa energia podem deslizar por toda a crosta do planeta, rocha derretida e ferro sem intervenção. Mas eles não têm potência suficiente para criar os sinais encontrados na Antártica. Os neutrinos de alta energia são poderosos o suficiente para criar os sinais. Mas como esses neutrinos de alta energia têm "seções transversais" maiores - eles impactam uma região maior do espaço circundante - eles tendem a bater nas coisas em vez de deslizar através delas. É a diferença entre atirar uma bola de gude através de uma rede de pesca e tentar atirar uma bola de praia nas mesmas fendas. Nenhum neutrino conhecido de alta energia deve ser capaz de passar por toda a Terra e emergir do gelo da Antártica.
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Os físicos denominaram as duas detecções de "anomalia ANITA", em homenagem à Antártica Impulsiva Transiente da NASA (ANITA), o detector aerotransportado que captou os sinais. Eles compararam as descobertas da ANITA com os resultados do IceCube - um observatório de neutrinos muito maior na Antártica - e encontraram mais suporte para a noção de que haviam encontrado algo que ninguém tinha visto antes. E eles levaram a sério a ideia de que ANITA pode ter tropeçado em algo além do Modelo Padrão.
Agora, em um novo artigo publicado em 24 de abril no jornal Annals of Glaciology, uma equipe conjunta de físicos e glaciologistas argumenta que a anomalia ANITA provavelmente não é evidência para uma nova física. Em vez disso, pode ser simplesmente um truque do gelo. Estruturas complexas e ocultas na expansão branca podem ter refletido ondas de rádio de maneiras inesperadas, enganando os receptores de rádio da ANITA para que registrassem a partícula como se viesse de dentro da Terra.
Como a anomalia funcionou
ANITA nunca foi feita para caçar novas partículas.
"É um experimento muito, muito simples em certo sentido", disse Ian Shoemaker, físico da Virginia Tech e principal autor do novo artigo. "Tudo o que eles têm basicamente é um grande balão e preso na parte inferior dele está um monte de receptores de rádio. E tudo o que eles estão detectando de qualquer evento é um sinal de rádio."
Mas os sinais de rádio podem conter muitas informações sobre as partículas na faixa extrema de alta energia.
Quando o ANITA foi construído, ele foi projetado para caçar um tipo exótico de evento previsto pelo Modelo Padrão. Neutrinos tau de alta energia - um dos três sabores de neutrino junto com neutrinos de elétron e múon - estão entre as partículas mais elusivas no modelo padrão. Esses neutrinos devem atingir a Terra com bastante frequência do espaço profundo. Mas eles são difíceis de detectar.
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Quando os neutrinos do tau atingem algo e decaem, eles produzem outro tipo de partícula chamada tau. A esperança era que, na Antártica, os neutrinos do tau às vezes atingissem a Terra em ângulos rasos o suficiente para se decompor no gelo, produzindo uma partícula de tau e um sinal de rádio característico detectável da passagem do tau pelo gelo. Esse sinal de rádio tem uma forma de onda previsível: um grande pico, um grande mergulho, um pico menor e um mergulho menor - uma forma determinada principalmente pelo campo magnético da Terra. E atingiria ANITA por baixo e para o lado, evidência do ângulo de visão com que atingiu o planeta.
ANITA captou um punhado de eventos como esse, bem como sinais de raios cósmicos vindos diretamente do espaço profundo para a Antártica. Quando isso acontece, uma partícula energizada - talvez um próton - atinge a atmosfera sobre a Antártica, explode em uma chuva de partículas menores carregadas e produz uma explosão de rádio que reflete no gelo antes de atingir a ANITA. Novamente, esses eventos produzem a mesma forma de onda dos neutrinos do tau. A forma é amplamente determinada pelo campo magnético da Terra e carrega apenas leves indícios das próprias partículas, disse Shoemaker .
Mas ANITA pode distinguir um neutrino tau de um raio cósmico básico: quando as ondas de rádio atingem o gelo e ricocheteiam em ANITA, suas formas mudam. Então, em vez de ver UP-DOWN-up-down de um tau olhando através do gelo, ANITA vê o refletido DOWN-UP-down-up de um raio cósmico. E esses sinais de raios cósmicos podem atingir ANITA de qualquer direção, pois ricocheteiam no gelo.
As duas anomalias ANITA não se enquadravam em nenhuma das categorias. Em cada caso, ANITA detectou a forma de onda não espelhada que poderia sugerir um neutrino tau, UP-DOWN-up-down. Mas a onda atingiu ANITA em um ângulo tão agudo que, para chegar sem ricochetear, teria que passar por um pedaço de terra impossivelmente espesso.
Foi um sinal que os designers da ANITA não esperavam quando construíram o detector e sugeriu a possibilidade de novas partículas desconhecidas explodirem da Antártica.
Anomalia ou ilusão?
Depois de anos de estudo, os físicos ficaram sem uma explicação fácil para as anomalias, disse Derek Fox, um especialista em neutrinos da Universidade Estadual da Pensilvânia. Fox, um membro da colaboração IceCube, não estava envolvido com o experimento ANITA ou o novo jornal.
Os físicos haviam proposto algumas explicações incomuns que não quebrariam o modelo padrão. Um fenômeno conhecido como "radiação de transição coerente" pode ter mexido com as ondas de rádio provenientes de uma chuva de raios cósmicos, sugeriram dois teóricos em março de 2019. Ou, talvez, os sinais vieram de efeitos de matéria escura em um universo de espelho, um artigo de março de 2018 proposto.
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Mas, tirando essas explicações mais alucinantes, Fox disse, "anomalias atmosféricas ou glaciais são basicamente o que resta" antes que uma nova partícula se torne a única explicação.
(Também é possível que algum problema instrumental com ANITA possa ter produzido o sinal que ele disse, mas isso é duvidoso dado o quão tecnicamente hábil a equipe ANITA é.)
Ainda assim, disse Fox, ninguém ainda ofereceu uma explicação convincente de como os efeitos do ar ou do gelo poderiam produzir as anomalias ANITA. Isso foi antes de a equipe de Shoemaker aparecer, com sua combinação incomum de físicos de partículas, especialistas em rádio e glaciologistas.
Os autores do novo estudo apresentaram um argumento direto: quando as ondas de rádio que passam pelo ar ricocheteiam em um objeto denso, como a camada superior de gelo, suas formas de onda mudam da maneira que a ANITA espera. Mas existem outros tipos de reflexos que podem enganar os sensores da ANITA.
Quando uma onda que passa por uma substância de alta densidade (como a rocha) atinge uma substância de baixa densidade (como a água), parte da energia da onda é refletida de volta. Mas essa reflexão parece diferente daquela que ocorre quando uma onda viaja de um ambiente de baixa densidade (como o ar) para um objeto de alta densidade (como o gelo).
À medida que você desce do céu da Antártica em direção ao centro da Terra, como a chuva de um raio cósmico, você encontrará principalmente um ambiente mais denso após o outro. O ar fica cada vez mais denso. Então você bate no gelo. Então você bate na rocha. Então você acaba no centro denso e quente do planeta. Em cada uma dessas transições, uma onda saltitante seria exatamente como a ANITA espera.
Mas existem características no gelo que não se enquadram nesse padrão, destacaram Shoemaker e seus colegas. Fendas cobertas de neve, regiões de cristal estressado conhecidas como "camadas de tecido de gelo" e lagos de água líquida enterrados sob a superfície congelada podem refletir o sinal de rádio de um raio cósmico sem espelhá-lo.
Mas lagos subglaciais e fendas cobertas de neve não são comuns o suficiente para serem explicações prováveis para o evento ANITA, descobriram os pesquisadores. Os tecidos de gelo e outra forma de gelo de baixa densidade conhecida como "crostas de vento" podem explicar as anomalias, disseram eles. Mas os glaciologistas não têm um bom controle sobre o quão comuns eles são na região. Duas características, no entanto, se destacam como prováveis explicações, Shoemaker e sua equipe escreveram.
A primeira é firme, um tipo de água congelada que não é tão macia e solta como a neve fresca, mas ainda não foi comprimida em um único bloco de gelo. Camadas firmes derretem, movem-se e recongelam continuamente, produzindo camadas de alta e baixa densidade. Ninguém procurou firn nas regiões quando a ANITA detectou as anomalias, mas é comum na Antártica e pode refletir ondas de rádio sem espelhá-las.
A outra possibilidade é rouca. Camadas de neve espessa e gelo às vezes escondem camadas de gelo mais fracas e quebradiças, de densidade mais baixa que o gelo acima delas. Os montanhistas conhecem e temem esse gelo, de acordo com Ulyana Horodyskyj, uma glacióloga do Colorado College que não estava envolvida no trabalho da ANITA ou de Shoemaker. Quando as fracas camadas de hoar escorregam nas encostas das montanhas, o gelo em cima pode desabar rapidamente - um evento conhecido como avalanche. Novamente, ainda não há nenhuma evidência direta para este tipo de camada dupla na área da ANITA. Mas hoar é comum na Antártica e pode explicar um reflexo incomum.
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Nada disso é prova de que a equipe ANITA confundiu um gelo estranho com uma partícula ascendente, escreveram os autores. Mas mostra que ANITA por si só provavelmente não consegue distinguir os dois tão bem quanto os físicos pensavam.
"Os experimentos futuros não devem usar a inversão de fase [a mudança da forma de onda de UP-DOWN-up-down para DOWN-UP-down-up] como único critério para discriminar entre eventos descendentes e ascendentes, a menos que as propriedades de reflexão do subsolo são bem compreendidos ", escreveram os autores.
Em outras palavras, a Antártica é muito complicada para ser tratada como um simples espelho sem um estudo cuidadoso. Os cristais enterrados abaixo da superfície podem pregar peças. E esses truques podem explicar a anomalia.
"Gelo é gelo - até que não seja, certo?" Horodyskyj disse .
Os glaciologistas usam ondas de rádio para estudar o gelo o tempo todo, disse ela. O radar de penetração pode revelar características que não são visíveis na superfície. Mas esses sinais são muitas vezes confusos e interpretá-los pode ser mais uma arte do que uma ciência.
"Você tem todas essas camadas diferentes de densidades que podem lançar todo o sinal", disse Horodyskyj. "Se você tem metal, detritos, pedras, água e gelo, eles são realmente fáceis de distinguir. Todos eles têm seu próprio sinal ou impressão digital. Mas, uma vez que você entra nesses detalhes do gelo, é realmente fascinante como até a suavidade do gelo muda o sinal. "
Não é surpreendente, disse ela, que essas características sutis de gelo possam criar uma ilusão de uma nova física.
Perguntas abertas
Os físicos precisam ver mais antes de se convencerem de uma forma ou de outra.
"É uma explicação possível", disse Peter Gorham, físico da Universidade do Havaí em Mānoa e líder da colaboração ANITA, "mas, em minha opinião, bastante improvável."
A implicação mais desconcertante do artigo de Shoemaker, disse Fox, é que qualquer característica de gelo que possa ter criado a anomalia refletiu o sinal perfeitamente.
Em circunstâncias normais, uma onda que ricocheteia em algo não ricocheteia de forma limpa - seja ela espelhada ou não. Diferentes comprimentos de onda geralmente são refletidos de maneiras diferentes, disse Fox, deixando rastros do que os físicos chamam de "processamento".
"A questão é que eu mesma olhei para a onda", disse Fox, "e não vi nada que me parecesse processamento."
Se algo refletiu a onda de volta para ANITA, fez isso sem deixar nenhum traço detectável.
"O sinal é muito claro, em linha com outros raios cósmicos normais que observamos. Não há evidências nos dados de quaisquer perturbações significativas do sinal fora de uma reflexão normal", disse Gorham .
O artigo Shoemaker oferece uma explicação para isso; com a estrutura de densidade correta, um refletor pode ser uniforme o suficiente em diferentes comprimentos de onda para processar um sinal limpo. Seria como ter um espelho super limpo.
Neste modelo de espelho limpo, haveria realmente duas rajadas de rádio para cada anomalia ANITA. Um, o reflexo "primário", teria sido invertido da maneira que a ANITA esperava. Mas se a superfície fosse inclinada corretamente, ela rebateria para longe dos sensores da ANITA. Apenas a segunda explosão, aquele eco limpo e não espelhado teria atingido os receptores da ANITA.
"Embora possível, isso parece exigir uma coincidência que é muito difícil de avaliar: uma camada de subsuperfície com as propriedades certas, combinada com uma inclinação da superfície também com as propriedades certas", disse Gorham.
Shoemaker disse que quando começou a estudar a anomalia ANITA, ele esperava encontrar evidências para uma nova física; ele não se propôs a desmascarar a descoberta.
Nesse ponto, porém, ele disse: "Se alguém me perguntasse 'Isso é algum tipo de novo neutrino estéril ou axion ou algo [além das partículas do Modelo Padrão], ou é gelo?' Eu teria que dizer: 'É gelo.' Firn inversões de densidade são coisas que sabemos que existem, sem exigir nova física. Então, se eu tivesse que fazer uma aposta, eu colocaria meu dinheiro. "
Ao mostrar rigorosamente o quão difundidos esses tipos de características estão na região ANITA, a equipe de Shoemaker fez um forte caso de que algum tipo de reflexão incomum pode ter causado a anomalia ANITA, disse Fox. Mas ainda não é um nocaute para a nova física. Para confirmar ou refutar o artigo do Shoemaker, você precisaria de evidências diretas para este tipo de reflexão incomum acontecendo na Antártica.
Até agora, disse Gorham, as evidências não são a favor de nada de estranho no gelo.
“O grupo ANITA fez muitos estudos sobre o gelo da Antártica e publicou vários artigos também na literatura glaciológica, que remontam a uma década ou mais”, disse ele. "Estudamos em detalhes via satélite a altimetria e mapas de radar a localização desses eventos, e para este em particular não parece haver nada de incomum."
Ele acrescentou que a colaboração da ANITA tem resultados preliminares de um estudo ainda não publicado que parece contradizer o que Shoemaker e seus co-autores propuseram..
O jornal Shoemaker sugeriu o envio de uma equipe aos locais das anomalias e ondas de rádio refletidas no gelo para ver o que aconteceria.
Horodyskyj concordou com essa abordagem.
"O que você precisa é a verdade fundamental", disse ela.
Esta parte da Antártica é excepcionalmente desolada, mesmo para aquele continente vazio, disse ela. Olhando a literatura de glaciologia, ela disse, ela encontrou poucos dados diretos sobre a composição do gelo na região onde a ANITA detectou as anomalias. Poucos núcleos de gelo ou outros estudos locais oferecem uma imagem suficientemente clara do gelo subterrâneo.
"Você teria que descobrir: qual é a pegada aérea do experimento que eles fizeram?" disse ela, referindo-se à área de gelo de onde a partícula ascendente parecia vir. "Se for 100 por 100 metros, você faria exatamente a mesma coisa no solo: 100 por 100 metros, reticular, colocar marcadores e os cantos, e então você tiraria o radar."
Carregar um radar lentamente sobre o solo, disse ela, ofereceria detalhes suficientes para realmente entender o gelo. Dependendo da logística, você pode caminhar pela paisagem, esquiar ou usar um snowmobile.
Mapear a área pedaço por pedaço pode revelar a profundidade das transições firn-glaciar e outros detalhes que não seriam detectáveis de longe, disse ela..
“Na área em que eles estão trabalhando, é muito seco, então o nível de firn pode se estender muito fundo em comparação com partes ao longo da costa onde há muito mais derretimento”, disse ela. "E então a outra coisa que eu adoraria fazer no meio dessa grade seria pegar um núcleo de gelo."
Um longo tubo físico de gelo pode revelar a olho nu quaisquer camadas inesperadas que possam interferir nos sinais de rádio, disse ela..
Até que essa pesquisa adicional seja feita, Horodyskyj e Fox concordaram, será difícil saber com certeza se a explicação de Shoemaker pode desmascarar a anomalia ANITA ou se essas novas descobertas podem ser totalmente descartadas.
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Originalmente publicado em .
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