Extrañas formaciones de hielo pueden haber engañado a los físicos para que vieran partículas misteriosas que no estaban allí

¿Y si uno de los hallazgos más extraños e inquietantes de la física de partículas resultara ser una ilusión??

Desde marzo de 2016, dos misteriosas señales de la Antártida han desconcertado a los investigadores. Dos veces ahora, una partícula de alta energía ha parecido estallar directamente desde el hielo, disparando los detectores en un experimento transportado por un globo flotando por encima. Es como si las partículas hubieran atravesado toda la Tierra ilesas. Pero eso debería ser casi imposible: ninguna de las partículas conocidas, que en conjunto se describen en un modelo físico conocido como Modelo Estándar, puede hacer ese viaje a niveles de alta energía..

Las partículas que por lo demás son idénticas pueden transportar diferentes cargas de energía, y la cantidad de energía que lleva una partícula puede cambiar su comportamiento. Los neutrinos fantasmales de baja energía pueden deslizarse a través de toda la corteza del planeta, la roca fundida y el hierro sin ser molestados. Pero no tienen suficiente fuerza para crear las señales que se encuentran en la Antártida. Los neutrinos de alta energía son lo suficientemente poderosos como para crear las señales. Pero dado que estos neutrinos de mayor energía tienen "secciones transversales" más grandes, impactan en una región más grande del espacio circundante, tienden a golpear las cosas en lugar de deslizarse a través de ellas. Es la diferencia entre lanzar una canica a través de una red de pesca e intentar lanzar una pelota de playa por los mismos huecos. Ningún neutrino conocido de alta energía debería poder atravesar toda la Tierra y emerger del hielo antártico.

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Los físicos denominaron a las dos detecciones la "anomalía ANITA", en honor a la Antena Transitoria Impulsiva Antártica (ANITA) de la NASA, el detector aéreo que captaba las señales. Compararon los hallazgos de ANITA con los resultados de IceCube, un observatorio de neutrinos mucho más grande en la Antártida, y encontraron más apoyo para la idea de que habían encontrado algo que nadie había visto antes. Y se tomaron en serio la idea de que ANITA podría haber tropezado con algo más allá del Modelo Estándar..

Ahora, en un nuevo artículo publicado el 24 de abril en la revista Annals of Glaciology, un equipo conjunto de físicos y glaciólogos argumenta que la anomalía ANITA probablemente no sea evidencia de una nueva física. En cambio, puede ser simplemente un truco del hielo. Las estructuras complejas y ocultas en la extensión blanca podrían haber reflejado ondas de radio de formas inesperadas, engañando a los receptores de radio de ANITA para que registraran la partícula como si viniera del interior de la Tierra..

Cómo funcionó la anomalía

ANITA nunca tuvo la intención de cazar nuevas partículas.

"Es un experimento realmente, realmente simple en cierto sentido", dijo Ian Shoemaker, físico de Virginia Tech y autor principal del nuevo artículo. "Básicamente, todo lo que tienen es un gran globo, y en la parte inferior hay un montón de receptores de radio. Y todo lo que detectan de cualquier evento es una señal de radio".

Pero las señales de radio pueden contener mucha información sobre partículas en el rango de energía extremadamente alta.

Cuando se construyó ANITA, fue diseñado para cazar un tipo de evento exótico predicho por el Modelo Estándar. Los neutrinos tau de alta energía, uno de los tres sabores de neutrinos junto con los neutrinos de electrones y muones, se encuentran entre las partículas más esquivas del modelo estándar. Estos neutrinos deberían golpear la Tierra con bastante frecuencia desde el espacio profundo. Pero son difíciles de detectar.

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Cuando los neutrinos tau golpean algo y se descomponen, producen otro tipo de partícula llamada tau. La esperanza era que en la Antártida, los neutrinos tau a veces golpearan la Tierra en ángulos lo suficientemente bajos como para que se pudrieran en el hielo, produciendo una partícula tau y una señal de radio característica y detectable del paso de la tau a través del hielo. Esa señal de radio tiene una forma de onda predecible: un gran pico, una gran caída, un pico más pequeño y una caída más pequeña, una forma determinada principalmente por el campo magnético de la Tierra. Y golpearía a ANITA de abajo y de lado, evidencia del ángulo de mirada con el que golpeó el planeta..

ANITA ha detectado un puñado de eventos como ese, así como las señales de los rayos cósmicos que llegan directamente a la Antártida desde el espacio profundo. Cuando eso sucede, una partícula energizada, tal vez un protón, golpea la atmósfera sobre la Antártida, estalla en una lluvia de partículas cargadas más pequeñas y produce una ráfaga de radio que se refleja en el hielo antes de golpear a ANITA. Nuevamente, estos eventos producen la misma forma de onda que los neutrinos tau. La forma está determinada en gran medida por el campo magnético de la Tierra y solo lleva débiles indicios de las partículas mismas, dijo Shoemaker. .

Pero ANITA puede distinguir un neutrino tau de un rayo cósmico básico: cuando las ondas de radio golpean el hielo y rebotan en ANITA, sus formas cambian. Entonces, en lugar de ver ARRIBA-ABAJO-arriba-abajo de un tau mirando a través del hielo, ANITA ve el DOWN-UP-down-up reflejado de un rayo cósmico. Y estas señales de rayos cósmicos pueden golpear a ANITA desde cualquier dirección mientras rebotan en el hielo..

Las dos anomalías de ANITA no encajaban en ninguna categoría. En cada caso, ANITA detectó la forma de onda no reflejada que sugeriría un neutrino tau, ARRIBA-ABAJO-arriba-abajo. Pero la ola golpeó a ANITA en un ángulo tan agudo que, para llegar sin rebotar, habría tenido que atravesar un trozo de tierra increíblemente grueso..

Fue una señal que los diseñadores de ANITA no esperaban cuando construyeron el detector, e insinuó la posibilidad de que nuevas partículas desconocidas surgieran de la Antártida..

Anomalía o ilusión?

Después de años de estudio, los físicos se han quedado sin una explicación fácil para las anomalías, dijo Derek Fox, experto en neutrinos de la Universidad Estatal de Pensilvania. Fox, miembro de la colaboración IceCube, no participó en el experimento ANITA ni en el nuevo artículo..

Los físicos habían propuesto algunas explicaciones inusuales que no romperían el Modelo Estándar. Un fenómeno conocido como "radiación de transición coherente" podría haber alterado las ondas de radio provenientes de una lluvia de rayos cósmicos, sugirieron dos teóricos en marzo de 2019. O tal vez las señales provenían de los efectos de la materia oscura en un universo espejo, un artículo de marzo de 2018 propuesto.

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Pero salvo estas explicaciones más alucinantes, dijo Fox, "las anomalías atmosféricas o glaciales son prácticamente lo que te queda" antes de que una nueva partícula se convierta en la única explicación..

(También es posible que algún problema instrumental con ANITA haya producido la señal que dijo, pero eso es dudoso dado lo hábil técnicamente que es el equipo de ANITA).

Aún así, dijo Fox, nadie había ofrecido todavía una explicación convincente de cómo los efectos del aire o el hielo podían producir las anomalías de ANITA. Eso fue antes de que apareciera el equipo de Shoemaker, con su inusual combinación de físicos de partículas, expertos en radio y glaciólogos..

Los autores del nuevo estudio presentaron un argumento sencillo: cuando las ondas de radio que atraviesan el aire rebotan en un objeto denso, como la capa superior de hielo, sus formas de onda cambian de la manera que espera ANITA. Pero hay otro tipo de reflejos que podrían engañar a los sensores de ANITA..

Cuando una onda que atraviesa una sustancia de alta densidad (como una roca) golpea una sustancia de menor densidad (como el agua), parte de la energía de la onda se reflejará. Pero ese reflejo se ve diferente al que ocurre cuando una onda viaja desde un entorno de baja densidad (como el aire) a un objeto de alta densidad (como el hielo)..

A medida que desciende desde el cielo de la Antártida hacia el centro de la Tierra, como la lluvia de un rayo cósmico, encontrará en su mayoría un entorno más denso tras otro. El aire se vuelve cada vez más denso. Entonces golpeas el hielo. Entonces golpeas el rock. Entonces terminas en el centro denso y caliente del planeta. En cada una de esas transiciones, una ola rebotando se vería tal como ANITA espera..

Pero hay características en el hielo que no se ajustan a ese patrón, señalaron Shoemaker y sus colegas. Las grietas cubiertas de nieve, las regiones de cristal estresado conocidas como "capas de tejido de hielo" y los lagos de agua líquida enterrados debajo de la superficie congelada podrían reflejar la señal de radio de un rayo cósmico sin reflejarla..

Pero los lagos subglaciales y las grietas cubiertas de nieve no son lo suficientemente comunes como para ser explicaciones probables del evento ANITA, encontraron los investigadores. Las telas de hielo y otra característica de hielo de baja densidad conocida como "costras de viento" podrían explicar las anomalías, dijeron. Pero los glaciólogos no tienen un buen manejo de cuán comunes son en la región. Sin embargo, dos características se destacan como posibles explicaciones, escribieron Shoemaker y su equipo..

La primera es firn, un tipo de agua congelada que no es tan blanda y suelta como la nieve fresca, pero que aún no se ha comprimido en un solo bloque de hielo. Las capas firn se derriten, se mueven y se vuelven a congelar una y otra vez, produciendo capas de alta y baja densidad. Nadie ha buscado firn en las regiones cuando ANITA detectó las anomalías, pero está muy extendido en la Antártida y puede reflejar ondas de radio sin reflejarlas..

La otra posibilidad es aburrida. Las capas de nieve gruesa y hielo a veces esconden capas de hielo más débiles y desmenuzables que tienen una densidad más baja que el hielo que se encuentra encima. Los montañeros conocen y temen este hielo, según Ulyana Horodyskyj, glacióloga del Colorado College que no participó en ANITA ni en el artículo de Shoemaker. Cuando las capas de hielo débiles se deslizan sobre las laderas de las montañas, el hielo de arriba puede colapsar rápidamente, un evento conocido como avalancha. Nuevamente, todavía no hay evidencia directa de este tipo de doble capa en el área de ANITA. Pero el hoar está muy extendido en la Antártida y podría explicar un reflejo inusual.

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Nada de eso prueba que el equipo de ANITA haya confundido un hielo extraño con una partícula ascendente, escribieron los autores. Pero muestra que ANITA por sí sola probablemente no puede distinguir los dos tan bien como los físicos pensaban.

"Los experimentos futuros no deberían utilizar la inversión de fase [el cambio de la forma de onda de ARRIBA-ABAJO-arriba-abajo a ABAJO-ARRIBA-abajo-arriba] como único criterio para discriminar entre eventos ascendentes y descendentes, a menos que las propiedades de reflexión del subsuelo se entienden bien ", escribieron los autores.

En otras palabras, la Antártida es demasiado complicada para tratarla como un simple espejo sin un estudio cuidadoso. Los cristales enterrados debajo de la superficie pueden jugar una mala pasada. Y esos trucos podrían explicar la anomalía.

"El hielo es hielo, hasta que no lo es, ¿verdad?" Horodyskyj dijo .

Los glaciólogos usan ondas de radio para estudiar el hielo todo el tiempo, dijo. El radar penetrante puede revelar características que no son visibles en la superficie. Pero esas señales a menudo son confusas e interpretarlas puede ser más un arte que una ciencia..

"Tienes todas estas diferentes capas de densidades que podrían enviar toda la señal", dijo Horodyskyj. "Si tienes metal, escombros, rocas, agua y hielo, son realmente fáciles de diferenciar. Todos tienen su propia señal o huella digital. Pero una vez que entras en estos detalles del hielo, es realmente fascinante cómo incluso la suavidad del hielo cambia la señal ".

No es sorprendente, dijo, que estas sutiles características del hielo puedan crear una ilusión de nueva física..

Preguntas abiertas

Los físicos necesitan ver más antes de estar convencidos de una forma u otra.

"Es una posible explicación", dijo Peter Gorham, físico de la Universidad de Hawai en Mānoa y líder de la colaboración ANITA, "pero en mi opinión bastante improbable".

La implicación más desconcertante del artículo de Shoemaker, dijo Fox, es que cualquier característica de hielo que pudiera haber creado la anomalía reflejaba la señal perfectamente..

En circunstancias normales, una ola que rebota en algo no rebota limpiamente, ya sea que esté reflejada o no. Las diferentes longitudes de onda generalmente se reflejan de diferentes maneras, dijo Fox, dejando rastros de lo que los físicos llaman "procesamiento".

"La cosa es que yo mismo miré la ola", dijo Fox, "y no vi nada que me pareciera un procesamiento".

Si algo reflejaba la onda de regreso a ANITA, lo hacía sin dejar ningún rastro detectable..

"La señal es muy limpia, bastante en línea con otros rayos cósmicos normales que hemos observado. No hay evidencia en los datos de perturbaciones significativas de la señal fuera de una reflexión normal", dijo Gorham. .

El artículo de Shoemaker ofrece una explicación para esto; con la estructura de densidad adecuada, un reflector puede ser lo suficientemente uniforme en diferentes longitudes de onda para procesar una señal limpia. Sería como tener un espejo super limpio.

En este modelo de espejo limpio, en realidad habría habido dos ráfagas de radio para cada anomalía de ANITA. Uno, el reflejo "primario", se habría invertido de la forma que esperaba ANITA. Pero si la superficie tuviera una pendiente adecuada, rebotaría lejos de los sensores de ANITA. Solo la segunda ráfaga, ese eco limpio y sin espejo habría golpeado los receptores de ANITA.

"Si bien es posible, esto parece requerir una coincidencia que es muy difícil de evaluar: una capa subsuperficial de las propiedades correctas, combinada con una pendiente superficial también con las propiedades correctas", dijo Gorham..

Shoemaker dijo que cuando comenzó a estudiar la anomalía ANITA, esperaba encontrar evidencia de nueva física; no se propuso desacreditar el hallazgo.

En este punto, sin embargo, dijo: "Si alguien me preguntara '¿Es esto algún tipo de nuevo neutrino o axión estéril o algo [más allá de las partículas del Modelo Estándar], o es hielo?' Tendría que decir: 'Es hielo'. Las inversiones de densidad firn son cosas que sabemos que existen, sin requerir nueva física. Así que si tuviera que hacer una apuesta, apostaría mi dinero ".

Al mostrar rigurosamente cuán extendidos están estos tipos de características en la región ANITA, el equipo de Shoemaker presentó un caso sólido de que algún tipo de reflejo inusual podría haber causado la anomalía ANITA, dijo Fox. Pero todavía no es un golpe de gracia para la nueva física. Para confirmar o refutar el artículo de Shoemaker, necesitaría evidencia directa de este tipo de reflejo inusual que ocurre en la Antártida..

Hasta ahora, dijo Gorham, la evidencia está a favor de nada extraño en el hielo..

"El grupo ANITA ha realizado muchos estudios sobre el hielo antártico y ha publicado varios artículos también en la literatura sobre glaciología, que se remonta a una década o más", dijo. "Hemos estudiado en detalle a través de mapas de radar y altimetría satelital la ubicación de estos eventos, y para este en particular no parece haber nada inusual".

Agregó que la colaboración de ANITA tiene resultados preliminares de un estudio aún inédito que parecería contradecir lo propuesto por Shoemaker y sus coautores..

El periódico Shoemaker sugirió enviar un equipo a los sitios de las anomalías y hacer rebotar ondas de radio en el hielo para ver qué pasaba..

Horodyskyj estuvo de acuerdo con ese enfoque.

"Lo que necesitas es la verdad fundamental", dijo..

Esta parte de la Antártida es inusualmente desolada, incluso para ese continente vacío, dijo. Al mirar la literatura sobre glaciología, dijo, encontró pocos datos directos sobre la composición del hielo en la región donde ANITA detectó las anomalías. Pocos testigos de hielo u otros estudios sobre el terreno ofrecen una imagen suficientemente clara del hielo subterráneo..

"Tendrías que averiguar: ¿Cuál es la huella del experimento desde el aire que hicieron?" dijo, refiriéndose al área de hielo de donde parecía provenir la partícula ascendente. "Si son 100 por 100 metros, querrás hacer exactamente lo mismo en el suelo: 100 por 100 metros, cuadriculados, poner marcadores y esquinas, y luego quitarías el radar".

Llevar un radar lentamente sobre el suelo, dijo, ofrecería suficientes detalles para comprender realmente el hielo. Dependiendo de la logística, puede caminar sobre el paisaje, esquiar o usar una moto de nieve..

Mapear el área pieza por pieza podría revelar la profundidad de las transiciones firn al glaciar y otros detalles que no serían detectables desde lejos, dijo..

"En el área en la que están trabajando, está bastante seco, por lo que el nivel del suelo puede extenderse muy profundo en comparación con partes a lo largo de la costa donde hay mucho más derretimiento", dijo. "Y luego, la otra cosa que me encantaría hacer en el medio de esa cuadrícula sería tomar un núcleo de hielo".

Un tubo de hielo largo y físico podría revelar a simple vista cualquier capa inesperada que pudiera interferir con las señales de radio, dijo..

Hasta que se realice una investigación adicional, Horodyskyj y Fox estuvieron de acuerdo, será difícil saber con certeza si la explicación de Shoemaker puede desacreditar la anomalía de ANITA o si estos nuevos hallazgos se descartarán por completo..

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Publicado originalmente el .

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