Из-под льда в Антарктике поступают странные радиоимпульсы, и ученые не уверены, что это

Новое исследование предоставляет дополнительный контекст результатам — зафиксированной серии необычных радиосигналов — полученным почти десять лет назад детектором частиц в Антарктиде.

Об этом сообщает блог «Наукове інфо» со ссылкой на пресс-релиз Пенсильванского университета.

Странные радиоимпульсы были обнаружены в период с 2016 по 2018 год с помощью Антарктической импульсной транзиторной антенны (ANITA) НАСА, ряда приборов, запущенных на воздушных шарах высоко над Антарктидой, которые предназначены для обнаружения радиоволн от космических лучей, попадающих в атмосферу.

Целью эксперимента ANITA было получить представление об удаленных космических событиях путем анализа сигналов, достигающих Земли. Вместо того, чтобы отражаться от льда, сигналы — форма радиоволн — казались поступающими из-под горизонта, что не могло быть объяснено современным пониманием физики частиц и, возможно, указывало на новые типы частиц или взаимодействий, ранее неизвестных науке, заявляли тогда ученые.

В новом исследовании, проведенном Обсерваторией Пьера Ожера в Аргентине, было проанализировано 15 лет космических данных, чтобы попытаться разобраться в этих сигналах. Команда международных ученых недавно опубликовала свои результаты в журнале Physical Review Letters.

«Радиоволны, которые мы обнаружили почти десять лет назад, имели очень крутой угол, примерно 30 градусов под поверхностью льда», — сказала Стефани Виссель, доцент кафедры физики, астрономии и астрофизики, которая работала в команде ANITA, занимавшейся поиском сигналов от неуловимых частиц, называемых нейтрино. «Хотя происхождение этих событий до сих пор остается непонятным, наше новое исследование показывает, что такие события не были зафиксированы в эксперименте с длительной экспозицией, как, например, в Обсерватории Пьера Ожера. Следовательно, это не указывает на наличие новой физики, а скорее на необходимость добавить больше информации к этой истории».

Она объяснила, что по их расчетам, аномальный сигнал должен был пройти через тысячи километров скальной породы и взаимодействовать с ней, прежде чем достичь детектора, что должно было бы сделать радиосигнал невидимым, поскольку он был бы поглощен скальной породой.

«Это интересная проблема, поскольку мы все еще не имеем объяснения того, что это за аномалии, но мы знаем, что они, скорее всего, не являются нейтрино», — сказала Виссель.

Нейтрино — это тип частиц без заряда и с наименьшей массой среди всех субатомных частиц, которые есть в избытке во Вселенной. Обычно они излучаются высокоэнергетическими источниками, такими как Солнце, или во время крупных космических событий, таких как сверхновые или даже Большой взрыв, поэтому сигналы нейтрино есть везде. Однако проблема этих частиц заключается в том, что их очень трудно обнаружить, объяснила Виссель.

«В любой момент через ваш ноготь проходит миллиард нейтрино, но нейтрино на самом деле не взаимодействуют», — сказала она. «Так что это проблема палки о двух концах. Если мы их обнаруживаем, это означает, что они пролетели весь этот путь, не взаимодействуя с чем-либо другим. Мы можем обнаруживать нейтрино, поступающие с края наблюдаемой Вселенной».

После обнаружения и отслеживания их источника эти частицы могут раскрыть больше информации о космических событиях, чем даже самые мощные телескопы, добавила Виссель, поскольку частицы могут двигаться беспрепятственно и почти со скоростью света, давая подсказки о космических событиях, произошедших за световые годы от нас.

Виссель и команды исследователей со всего мира работают над разработкой и созданием специальных детекторов для фиксации чувствительных сигналов нейтрино, даже в относительно небольших количествах. Даже один небольшой сигнал от нейтрино содержит множество ценной информации, поэтому все данные имеют значение, сказала она.

«Мы используем радиодетекторы, чтобы попытаться построить действительно большие нейтринные телескопы, чтобы мы могли отслеживать достаточно низкую ожидаемую частоту событий», — сказала Виссель, которая разработала эксперименты для обнаружения нейтрино в Антарктиде и Южной Америке.

ANITA является одним из таких детекторов, и его разместили в Антарктиде, поскольку там мало шансов на помехи от других сигналов. Чтобы зафиксировать сигналы излучения, радиодетектор, размещенный на воздушном шаре, отправляют летать над ледяными просторами, фиксируя так называемые ледяные ливни.

«У нас есть эти радиоантенны на воздушном шаре, который летает на высоте 40 километров над льдом в Антарктиде», — говорит Виссель. «Мы направляем наши антенны вниз на лед и ищем нейтрино, которые взаимодействуют с льдом, производя радиоизлучение, которое мы затем можем почувствовать на наших детекторах».

Эти особые нейтрино, взаимодействующие с льдом, называются тау-нейтрино. Они производят вторичную частицу, называемую тау-лептоном, которая высвобождается из льда и распадается. Физический термин «распад» означает, что частица теряет энергию, двигаясь в пространстве, и распадается на составные части. Это производит излучение, известное как атмосферные ливни.

Если бы они были видны невооруженным глазом, воздушные ливни могли бы выглядеть как бенгальский огонек, машущий в одном направлении, с искрами, тянущимися за ним, объяснила Виссель. Исследователи могут различить два сигнала — ледяные и атмосферные ливни — чтобы определить свойства частицы, создавшей сигнал.

Эти сигналы можно отследить до их источника, подобно тому, как мяч, брошенный под углом, предсказуемо отскочит под тем же углом, говорит Виссель. Однако аномальные находки нельзя отследить таким образом, поскольку угол гораздо острее, чем предполагают существующие модели.

Анализируя данные, собранные во время нескольких полетов ANITA, и сравнивая их с математическими моделями и развернутыми симуляциями как обычных космических лучей, так и атмосферных ливней, движущихся вверх, исследователи смогли отфильтровать фоновый шум и исключить возможность других известных сигналов, связанных с частицами.

Затем исследователи сравнили сигналы с других независимых детекторов, таких как Эксперимент Ледяной Куб и Обсерватория Пьера Ожера, чтобы проверить, были ли данные об атмосферных ливнях, движущихся вверх, подобные тем, которые были обнаружены ANITA, зафиксированы другими экспериментами.

Анализ показал, что другие детекторы не зарегистрировали ничего, что могло бы объяснить то, что обнаружила ANITA, что заставило исследователей описать сигнал как «аномальный», что означает, что частицы, вызывающие сигнал, не являются нейтрино, пояснила Виссель. Когда эти сигналы были впервые обнаружены, появились теории, что они не вписываются в стандартную картину физики частиц, а другие предполагали, что это может быть намеком на темную материю, но недавнее отсутствие наблюдений с помощью Ледяного Куба и Ожера значительно сузило возможности, сказала Виссель.

Команды работают над проектами с использованием воздушных шаров уже более десяти лет, пояснила Виссель, и добавила, что ее команда сейчас работает над проектированием и строительством следующего большого детектора. Новый детектор, который называется PUEO, будет больше и лучше в обнаружении нейтринных сигналов, сказала Виссель, и, надеемся, он прольет свет на то, что именно является аномальным сигналом.

«Я предполагаю, что вблизи льда, а также вблизи горизонта происходит какой-то интересный эффект распространения радиоволн, который я не до конца понимаю, но мы, безусловно, исследовали несколько из них и пока не смогли найти ни одного», — сказала Виссель. «Поэтому сейчас это одна из тех давних загадок, и я рада, что когда мы запустим PUEO, у нас будет лучшая чувствительность. В принципе, мы должны быть в состоянии лучше понять эти аномалии, что значительно поможет нам понять наши фоновые процессы и, в конечном итоге, обнаружить нейтрино в будущем».