Forskare försöker lösa ett decennielångt mysterium genom att fastställa identiteten på de anomala signaler som upptäckts under isen i Antarktis.
De märkliga radiovågorna upptäcktes under sökandet efter ett annat ovanligt fenomen: högenergiska kosmiska partiklar som kallas neutriner. Neutriner kommer till jorden från de yttersta delarna av kosmos och kallas ofta för ”spöklika” eftersom de är extremt flyktiga, eller gasformiga, och kan passera genom alla typer av materia utan att förändras.
Under det senaste decenniet har forskare genomfört flera experiment med hjälp av stora vatten- och isytor för att söka efter neutriner, som kan kasta ljus över mystiska kosmiska strålar, de mest energirika partiklarna i universum. Ett av dessa projekt var NASA:s experiment Antarctic Impulsive Transient Antenna, eller ANITA, där ballonger med instrument flög över Antarktis mellan 2006 och 2016.
Det var under denna jakt som ANITA fångade upp onormala radiovågor som inte verkade vara neutriner.
Signalerna kom från under horisonten, vilket tyder på att de hade passerat tusentals kilometer av berg innan de nådde detektorn. Men radiovågorna borde ha absorberats av berget. ANITA-teamet trodde att dessa onormala signaler inte kunde förklaras med dagens kunskaper om partikelfysik.
Uppföljande observationer och analyser med andra instrument, däribland en som nyligen genomfördes av Pierre Auger-observatoriet i Argentina, har inte kunnat hitta samma signaler. Resultaten från Pierre Auger-samarbetet publicerades i tidskriften Physical Review Letters i mars.
Ursprunget till de avvikande signalerna är fortfarande oklart, säger studiens medförfattare Stephanie Wissel, docent i fysik, astronomi och astrofysik vid Pennsylvania State University.
”Vår nya studie indikerar att sådana (signaler) inte har observerats i något experiment … som Pierre Auger-observatoriet”, säger Wissel. ”Det tyder alltså inte på att det finns någon ny fysik, utan snarare på att det finns mer information att lägga till historien.”
Större, mer känsliga detektorer kan kanske lösa mysteriet eller i slutändan bevisa om de avvikande signalerna var en tillfällighet, samtidigt som sökandet efter de gåtfulla neutrinerna och deras källor fortsätter, säger forskarna.
Sökandet efter neutriner
Genom att detektera neutriner på jorden kan forskarna spåra dem tillbaka till deras källor, som forskarna tror främst är kosmisk strålning som träffar vår planets atmosfär.
Kosmisk strålning är de mest energirika partiklarna i universum och består främst av protoner eller atomkärnor. De släpps ut i universum eftersom det som producerar dem är en så kraftfull partikelaccelerator att den överskuggar Large Hadron Collider. Neutriner kan hjälpa astronomer att bättre förstå kosmisk strålning och vad som driver den genom kosmos.
Men neutriner är svåra att hitta eftersom de nästan saknar massa och kan passera genom de mest extrema miljöer, som stjärnor och hela galaxer, utan att förändras. De interagerar dock med vatten och is.
ANITA har utformats för att söka efter de högst energirika neutrinerna i universum, med högre energier än vad som hittills har upptäckts, säger Justin Vandenbroucke, docent i fysik vid University of Wisconsin, Madison. Experimentets radioantenner söker efter korta radiopulser som uppstår när en neutrino kolliderar med en atom i Antarktis is, vilket leder till en regn av partiklar med lägre energi, säger han.
Under sina flygningar fann ANITA högenergiska partikelfontäner som kom från isen, en sorts upp-och-ner-vänd regn av kosmiska strålar. Detektorn är också känslig för ultrahögenergiska kosmiska strålar som regnar ner på jorden och skapar en radiopuls som fungerar som en ficklampa av radiovågor.
När ANITA observerar en kosmisk stråle är strålkastarstrålen i själva verket en radiovågsburst som varar en miljarddels sekund och som kan kartläggas som en våg för att visa hur den reflekteras av isen.
En avvikelse i data
Två gånger i data från ANITA-flygningarna upptäckte experimentets ursprungliga team signaler som kom upp genom isen i en mycket skarpare vinkel än vad någon modell någonsin hade förutsagt, vilket gjorde det omöjligt att spåra signalerna till deras ursprungliga källor.
”Radiovågorna som vi upptäckte för nästan ett decennium sedan hade riktigt branta vinklar, ungefär 30 grader under isytan”, säger Wissel.
Neutriner kan färdas genom mycket materia, men inte hela vägen genom jorden, sa Vandenbroucke.
”De förväntas anlända från något under horisonten, där det inte finns mycket jord som kan absorbera dem”, skrev han i ett e-postmeddelande. ”De anomala händelserna i ANITA är intressanta eftersom de verkar komma från långt under horisonten, vilket innebär att neutrinerna skulle behöva färdas genom en stor del av jorden. Detta är inte möjligt enligt standardmodellen för partikelfysik.”
ANITAs instrument är utformade för att detektera radiovågor från kosmisk strålning som träffar atmosfären.
Pierre Auger Collaboration, som omfattar hundratals forskare runt om i världen, analyserade mer än ett decenniums data för att försöka förstå de anomalier som ANITA upptäckt.
Teamet använde också sitt observatorium för att försöka hitta samma signaler. Auger-observatoriet är en hybriddetektor som använder två metoder för att hitta och studera kosmisk strålning. Den ena metoden bygger på att hitta högenergipartiklar när de interagerar med vatten i tankar på jordytan, och den andra spårar potentiella interaktioner med ultraviolett ljus högt uppe i vår planets atmosfär.
”Auger-observatoriet använder en helt annan teknik för att observera ultrahögenergiska kosmiska strålar i form av luftskurar. Man använder det sekundära skenet från laddade partiklar när de passerar genom atmosfären för att bestämma riktningen för den kosmiska strålen som initierade skuren”, säger Peter Gorham, professor i fysik vid University of Hawaii i Mānoa. ”Genom att använda datorsimuleringar av hur en sådan partikelregn skulle se ut om den hade betett sig som de anomala händelserna i ANITA, kan de skapa en slags mall för liknande händelser och sedan söka i sina data för att se om något liknande dyker upp.”
Gorham, som inte var involverad i den nya forskningen, designade ANITA-experimentet och har bedrivit annan forskning för att förstå mer om de anomala signalerna.
Auger-observatoriet var ursprungligen utformat för att mäta nedåtgående partikelregn som produceras i atmosfären av ultrahögenergiska kosmiska strålar, men teamet omdesignade sin dataanalys för att söka efter uppåtgående luftregn, säger Vandenbroucke. Vandenbroucke arbetade inte med den nya studien, men han granskade den innan publiceringen.
”Auger har ett enormt uppsamlingsområde för sådana händelser, större än ANITA”, säger han. ”Om de avvikande händelserna som ANITA registrerat orsakas av partiklar som färdas genom jorden och sedan producerar uppåtgående partikelregn, borde Auger ha upptäckt många av dem, men det gjorde det inte.”
En separat uppföljningsstudie med hjälp av IceCube-experimentet, som har sensorer inbäddade djupt i Antarktisisen, sökte också efter de anomala signalerna.
”Eftersom IceCube är mycket känsligt skulle vi ha upptäckt dem om de anomala händelserna i ANITA var neutriner”, skrev Vandenbroucke, som var medledare för arbetsgruppen IceCube Neutrino Sources mellan 2019 och 2022.
”Det är ett intressant problem eftersom vi fortfarande inte har någon förklaring till vad dessa anomalier är, men vad vi vet är att de troligen inte representerar neutriner”, säger Wissel.
Märkligt nog är en annan typ av neutrino, kallad tau-neutrino, en hypotes som vissa forskare har lagt fram som orsaken till de avvikande signalerna.
Tau-neutriner kan regenereras. När de sönderfaller vid höga energier producerar de en annan tau-neutrino, samt en partikel som kallas tau-lepton – liknande en elektron, men mycket tyngre.
Men det som gör tau-neutrinoscenariot mycket osannolikt är den branta vinkeln i förhållande till signalen, säger Wissel.
”Man förväntar sig att alla dessa tau-neutriner ska befinna sig mycket, mycket nära horisonten, kanske en till fem grader under horisonten”, säger Wissel. ”Dessa befinner sig 30 grader under horisonten. Det är helt enkelt för mycket material. De skulle faktiskt förlora en hel del energi och inte gå att upptäcka.”
Framtiden för detektering
I slutändan har Gorham och de andra forskarna ingen aning om vad de anomala ANITA-händelserna har sitt ursprung i. Hittills finns det inga tolkningar som stämmer överens med signalerna, vilket är det som får forskarna att fortsätta försöka lösa mysteriet. Svaret kan dock vara inom räckhåll.
Wissel arbetar också med en ny detektor, Payload for Ultra-High Energy Observations eller PUEO, som kommer att flyga över Antarktis under en månad med start i december. PUEO är större och tio gånger känsligare än ANITA och kan avslöja mer information om vad som orsakar de avvikande signalerna som ANITA har upptäckt, säger Wissel.
ANITA-experimentet genomfördes fyra gånger mellan 2006 och 2016.
”Just nu är det ett av dessa långvariga mysterier”, säger Wissel. ”Jag är spänd på att vi kommer att få bättre känslighet när vi flyger PUEO. I princip borde vi kunna förstå dessa anomalier bättre, vilket kommer att bidra mycket till att förstå vår bakgrund och i slutändan upptäcka neutriner i framtiden.”
Gorham sa att PUEO, en förkortning som refererar till den hawaiianska ugglan, bör ha känsligheten som krävs för att fånga upp många avvikande signaler och hjälpa forskarna att hitta ett svar.
”Ibland måste man bara gå tillbaka till ritbordet och verkligen ta reda på vad det här är”, säger Wissel. ”Det mest troliga scenariot är att det är någon banal fysik som kan förklaras, men vi knackar på alla dörrar för att försöka ta reda på vad det är.”
