Gli scienziati stanno cercando di risolvere un mistero che dura da un decennio, determinando l’identità dei segnali anomali rilevati sotto il ghiaccio in Antartide. Le strane onde radio sono emerse durante la ricerca di un altro fenomeno insolito: particelle cosmiche ad alta energia note come neutrini. Arrivando sulla Terra dai confini del cosmo, i neutrini sono spesso chiamati “fantasmi” perché sono estremamente volatili, o vaporosi, e possono attraversare qualsiasi tipo di materia senza subire alterazioni. Negli ultimi dieci anni, i ricercatori hanno condotto diversi esperimenti utilizzando vaste distese di acqua e ghiaccio per cercare i neutrini, che potrebbero far luce sui misteriosi raggi cosmici, le particelle più energetiche dell’universo. Uno di questi progetti era l’esperimento ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna) della NASA, che tra il 2006 e il 2016 ha fatto volare palloni aerostatici con strumenti scientifici sopra l’Antartide. È stato durante questa ricerca che ANITA ha rilevato onde radio anomale che non sembravano essere neutrini. I segnali provenivano da sotto l’orizzonte, suggerendo che avessero attraversato migliaia di chilometri di roccia prima di raggiungere il rilevatore. Ma le onde radio avrebbero dovuto essere assorbite dalla roccia. Il team ANITA riteneva che questi segnali anomali non potessero essere spiegati dalle attuali conoscenze della fisica delle particelle. Ulteriori osservazioni e analisi con altri strumenti, tra cui una condotta di recente dall’Osservatorio Pierre Auger in Argentina, non sono state in grado di rilevare gli stessi segnali. I risultati della collaborazione Pierre Auger sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters a marzo. L’origine dei segnali anomali rimane poco chiara, ha affermato la coautrice dello studio Stephanie Wissel, professore associato di fisica, astronomia e astrofisica alla Pennsylvania State University. “Il nostro nuovo studio indica che tali (segnali) non sono stati rilevati da un esperimento … come quello dell’Osservatorio Pierre Auger”, ha detto Wissel. “Quindi, ciò non indica che ci sia una nuova fisica, ma piuttosto ulteriori informazioni da aggiungere alla storia”. Rilevatori più grandi e sensibili potrebbero essere in grado di risolvere il mistero o, in ultima analisi, dimostrare se i segnali anomali fossero un caso fortuito, continuando la ricerca dei misteriosi neutrini e delle loro fonti, affermano gli scienziati.
La ricerca dei neutrini
Il rilevamento dei neutrini sulla Terra consente ai ricercatori di risalire alle loro fonti, che gli scienziati ritengono siano principalmente i raggi cosmici che colpiscono l’atmosfera del nostro pianeta.
Le particelle più energetiche dell’universo, i raggi cosmici sono costituiti principalmente da protoni o nuclei atomici e vengono lanciati attraverso l’universo perché qualunque cosa li produca è un acceleratore di particelle così potente da far sembrare insignificanti le capacità del Large Hadron Collider. I neutrini potrebbero aiutare gli astronomi a comprendere meglio i raggi cosmici e ciò che li lancia attraverso il cosmo.
Ma i neutrini sono difficili da trovare perché hanno una massa quasi nulla e possono attraversare gli ambienti più estremi, come le stelle e intere galassie, senza subire alcuna alterazione. Tuttavia, interagiscono con l’acqua e il ghiaccio.
ANITA è stato progettato per cercare i neutrini con la più alta energia dell’universo, a energie più elevate di quelle rilevate finora, ha detto Justin Vandenbroucke, professore associato di fisica all’Università del Wisconsin, Madison. Le antenne radio dell’esperimento cercano un breve impulso di onde radio prodotto quando un neutrino entra in collisione con un atomo nel ghiaccio antartico, provocando una pioggia di particelle a energia più bassa, ha detto.
Durante i suoi voli, ANITA ha rilevato fontane di particelle ad alta energia provenienti dal ghiaccio, una sorta di pioggia capovolta di raggi cosmici. Il rilevatore è anche sensibile ai raggi cosmici ad altissima energia che piovono sulla Terra e creano un’esplosione radio che agisce come un fascio di onde radio simile a quello di una torcia elettrica.
Quando ANITA osserva un raggio cosmico, il fascio luminoso è in realtà un impulso di onde radio della durata di un miliardesimo di secondo che può essere mappato come un’onda per mostrare come si riflette sul ghiaccio.
Un’anomalia nei dati
Due volte nei dati raccolti dai voli ANITA, il team originale dell’esperimento ha individuato segnali provenienti dal ghiaccio con un angolo molto più acuto di quanto previsto da qualsiasi modello, rendendo impossibile risalire alle fonti originali dei segnali.
“Le onde radio che abbiamo rilevato quasi un decennio fa avevano angoli davvero ripidi, circa 30 gradi sotto la superficie del ghiaccio”, ha detto Wissel.
I neutrini possono attraversare molta materia, ma non tutta la Terra, ha detto Vandenbroucke.
“Si prevede che arrivino da poco sotto l’orizzonte, dove non c’è molta Terra che possa assorbirli”, ha scritto in una e-mail. “Gli eventi anomali di ANITA sono intriganti perché sembrano provenire da ben al di sotto dell’orizzonte, quindi i neutrini dovrebbero attraversare gran parte della Terra. Questo non è possibile secondo il Modello Standard della fisica delle particelle”.
Gli strumenti di ANITA sono stati progettati per rilevare le onde radio provenienti dai raggi cosmici che colpiscono l’atmosfera.
La Pierre Auger Collaboration, che comprende centinaia di scienziati di tutto il mondo, ha analizzato più di un decennio di dati per cercare di comprendere i segnali anomali rilevati da ANITA.
Il team ha anche utilizzato il proprio osservatorio per cercare di trovare gli stessi segnali. L’Osservatorio Auger è un rilevatore ibrido che utilizza due metodi per trovare e studiare i raggi cosmici. Un metodo si basa sulla ricerca di particelle ad alta energia mentre interagiscono con l’acqua in serbatoi sulla superficie terrestre, mentre l’altro traccia le potenziali interazioni con la luce ultravioletta presente nell’alta atmosfera del nostro pianeta.
“L’Osservatorio Auger utilizza una tecnica molto diversa per osservare le piogge di raggi cosmici ad altissima energia, utilizzando il bagliore secondario delle particelle cariche mentre attraversano l’atmosfera per determinare la direzione del raggio cosmico che le ha generate”, ha detto Peter Gorham, professore di fisica all’Università delle Hawaii a Mānoa. “Utilizzando simulazioni al computer di come sarebbe stata una pioggia di particelle se si fosse comportata come gli eventi anomali di ANITA, sono in grado di generare una sorta di modello per eventi simili e quindi cercare nei loro dati per vedere se appare qualcosa di simile”.
Gorham, che non ha partecipato alla nuova ricerca, ha progettato l’esperimento ANITA e ha condotto altre ricerche per comprendere meglio i segnali anomali.
Mentre l’Osservatorio Auger è stato progettato per misurare le piogge di particelle che cadono verso il basso prodotte nell’atmosfera dai raggi cosmici ad altissima energia, il team ha riprogettato la propria analisi dei dati per cercare piogge d’aria che salgono verso l’alto, ha affermato Vandenbroucke. Vandenbroucke non ha lavorato al nuovo studio, ma lo ha sottoposto a revisione paritaria prima della pubblicazione.
“Auger ha un’area di raccolta enorme per eventi di questo tipo, più grande di ANITA”, ha affermato. “Se gli eventi anomali di ANITA sono prodotti da particelle che attraversano la Terra e poi producono piogge verso l’alto, allora Auger avrebbe dovuto rilevarne molti, ma non è stato così”.
Un separato studio di follow-up che ha utilizzato l’esperimento IceCube, che dispone di sensori incorporati in profondità nel ghiaccio antartico, ha cercato anch’esso i segnali anomali.
“Poiché IceCube è molto sensibile, se gli eventi anomali di ANITA fossero stati neutrini, li avremmo rilevati”, ha scritto Vandenbroucke, che è stato co-responsabile del gruppo di lavoro IceCube Neutrino Sources tra il 2019 e il 2022.
“È un problema interessante perché non abbiamo ancora una spiegazione per queste anomalie, ma quello che sappiamo è che molto probabilmente non si tratta di neutrini”, ha detto Wissel.
Stranamente, un diverso tipo di neutrino, chiamato neutrino tau, è una delle ipotesi avanzate da alcuni scienziati come causa dei segnali anomali.
I neutrini tau possono rigenerarsi. Quando decadono ad alte energie, producono un altro neutrino tau, oltre a una particella chiamata leptone tau, simile a un elettrone, ma molto più pesante.
Ma ciò che rende molto improbabile lo scenario dei tau neutrini è la ripidità dell’angolo collegato al segnale, ha affermato Wissel.
“Ci si aspetta che tutti questi tau neutrini siano molto, molto vicini all’orizzonte, forse da uno a cinque gradi sotto l’orizzonte”, ha affermato Wissel. “Questi sono a 30 gradi sotto l’orizzonte. C’è semplicemente troppo materiale. In realtà perderebbero molta energia e non sarebbero rilevabili”.
Il futuro della rilevazione
Alla fine della giornata, Gorham e gli altri scienziati non hanno idea dell’origine degli eventi anomali rilevati da ANITA. Finora, nessuna interpretazione corrisponde ai segnali, ed è questo che spinge gli scienziati a continuare a cercare di risolvere il mistero. Tuttavia, la risposta potrebbe essere vicina.
Wissel sta anche lavorando a un nuovo rilevatore, il Payload for Ultra-High Energy Observations o PUEO, che sorvolerà l’Antartide per un mese a partire da dicembre. Più grande e 10 volte più sensibile di ANITA, PUEO potrebbe rivelare ulteriori informazioni su ciò che causa i segnali anomali rilevati da ANITA, ha affermato Wissel.
L’esperimento ANITA è stato condotto quattro volte tra il 2006 e il 2016.
“Al momento è uno di quei misteri irrisolti da tempo”, ha affermato Wissel. “Sono entusiasta all’idea che, quando lanceremo PUEO, avremo una sensibilità migliore. In linea di principio, dovremmo essere in grado di comprendere meglio queste anomalie, il che ci aiuterà molto a capire il nostro background e, in ultima analisi, a rilevare i neutrini in futuro”.
Gorham ha affermato che PUEO, acronimo che fa riferimento al gufo hawaiano, dovrebbe avere la sensibilità necessaria per catturare molti segnali anomali e aiutare gli scienziati a trovare una risposta.
“A volte bisogna semplicemente tornare al punto di partenza e cercare di capire davvero cosa sono queste cose”, ha affermato Wissel. “Lo scenario più probabile è che si tratti di qualche fenomeno fisico banale che può essere spiegato, ma stiamo cercando di esplorare tutte le possibilità per capire di cosa si tratta”.
