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

¿Qué pasa si uno de los hallazgos más extraños e inquietantes de la física de partículas resulta ser una ilusión?


Los investigadores se preparan para lanzar el experimento de la Antena Transitoria Impulsiva Antártica (ANITA), que recogió señales de partículas de apariencia imposible mientras colgaba de su globo sobre la Antártida.
(Imagen: © NASA)


¿Qué pasa si uno de los hallazgos más extraños e inquietantes de la física de partículas resulta ser una ilusión?

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

Las partículas que son idénticas pueden transportar diferentes cargas de energía, y la cantidad de energía que transporta una partícula puede cambiar su comportamiento. Los neutrinos fantasmales y de baja energía pueden deslizarse por toda la corteza del planeta, las rocas fundidas 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 potentes 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 tirar una canica a través de una red de pesca e intentar lanzar una pelota de playa a través de los mismos huecos. Ningún neutrino de alta energía conocido debería poder atravesar toda la Tierra y emerger del hielo antártico.

Los físicos llamaron a las dos detecciones la "anomalía ANITA", después de la Antena Transitoria Impulsiva Antártica de la NASA (ANITA), el detector aerotransportado que recogió 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 argumentan 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 maneras inesperadas, engañando a los receptores de radio de ANITA para que registren la partícula como si viniera del interior de la Tierra.

Como funcionó la anomalía

ANITA nunca tuvo la intención de cazar nuevas partículas.

"Es un experimento muy, muy 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 extremo de alta energía.

Cuando se construyó ANITA, se diseñó 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 escurridizas del modelo estándar. Estos neutrinos deberían golpear la Tierra con bastante frecuencia desde el espacio profundo. Pero son difíciles de detectar.

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: una gran punta, una gran caída, una punta más pequeña y una caída más pequeña, una forma determinada principalmente por el campo magnético de la Tierra. Y golpearía a ANITA desde abajo y hacia un lado, evidencia del ángulo de visión con el que golpeó el planeta.
A diagram shows the different ways signals can reach ANITA as it floats over Antarctica hanging from its balloon.
Un diagrama muestra las diferentes formas en que las señales pueden llegar a ANITA cuando el dispositivo flota sobre la Antártida que cuelga de su globo. (Crédito de la imagen: ANITA Collaboration / NASA)

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, quizás un protón, golpea la atmósfera sobre la Antártida, irrumpe en una lluvia de partículas cargadas más pequeñas y produce una explosión 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 tiene indicios débiles de las partículas, dijo Shoemaker a Live Science.

Pero ANITA puede distinguir un tau neutrino 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 reflejo ABAJO-ARRIBA-abajo-arriba de un rayo cósmico. Y estas señales de rayos cósmicos pueden golpear a ANITA desde cualquier dirección cuando rebotan en el hielo.
A simplified image shows what ANITA expects the radio bursts of high energy particles to look like if they haven't been reflected.
Una imagen simplificada muestra cómo ANITA espera que se vean las explosiones de radio de partículas de alta energía si no se han reflejado. (Crédito de la imagen: Ian Shoemaker)

Las dos anomalías de ANITA no encajaban en ninguna de las categorías. En cada caso, ANITA detectó la forma de onda sin espejo que sugeriría un neutrino tau, ARRIBA-ABAJO-arriba-abajo. Pero la ola golpeó a ANITA en un ángulo tan agudo que para haber llegado 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 estallaran desde la Antártida.
Anomalía o ilusión?
Después de años de estudio, los físicos no tienen una explicación fácil para las anomalías, dijo Derek Fox, un 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 documento.

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 provienen de los efectos de la materia oscura en un universo espejo, propuso un artículo de marzo de 2018 .

Pero salvo estas explicaciones más alucinantes, Fox le dijo a Live Science, "las anomalías atmosféricas o glaciales son más o menos 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 técnicamente experto que es el equipo de ANITA).

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

Los autores del nuevo estudio hicieron un argumento directo: cuando las ondas de radio que pasan a través del aire rebotan en un objeto denso, como la capa superior de hielo, sus formas de onda cambian de la manera que ANITA espera. Pero hay otros tipos de reflexiones que podrían engañar a los sensores de ANITA.

Cuando una ola que pasa a través de 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 esa reflexión se ve diferente de la que ocurre cuando una ola viaja desde un entorno de baja densidad (como el aire) a un objeto de alta densidad (como el hielo).

A medida que viaja desde el cielo antártico hacia el centro de la Tierra, como la lluvia de un rayo cósmico, se encontrará principalmente con un entorno más denso tras otro. El aire se vuelve más y más grueso. Entonces golpeas el hielo. Entonces golpeas la roca. Luego terminas en el centro cálido y denso del planeta. En cada una de esas transiciones, una onda de rebote 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 tela 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 "cortezas de viento" podrían explicar las anomalías, dijeron. Pero los glaciólogos no tienen una buena idea de cuán comunes son en la región. Sin embargo, dos características se destacan como explicaciones probables, escribieron Shoemaker y su equipo.

El primero es firme, un tipo de agua congelada que no es tan suave y suelta como la nieve fresca, pero que aún no se ha comprimido en un solo bloque de hielo. Las capas firmes se derriten, se mueven y se vuelven a congelar una y otra vez, produciendo capas de alta y baja densidad. Nadie buscó 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 el hoar. Las capas de nieve y hielo espesos a veces esconden capas de hielo más débiles y desmenuzables que son de menor densidad que el hielo que está encima. Los alpinistas conocen y temen este hielo, según Ulyana Horodyskyj, una glacióloga de Colorado College que no participó en ANITA o en el artículo de Shoemaker. Cuando las capas débiles de la hierba se deslizan sobre las laderas de las montañas, el hielo 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 ron está muy extendido en la Antártida, y podría explicar una reflexión inusual.

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

"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 descendentes y ascendentes, a menos que las propiedades de reflexión subsuperficial son bien entendidos ", 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 trucos. Y esos trucos podrían explicar la anomalía.

"El hielo es hielo, hasta que no lo sea, ¿verdad?" Horodyskyj le dijo a Live Science.

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 son a menudo desordenadas y su interpretación puede ser más un arte que una ciencia.

"Tienes todas estas diferentes capas de densidades que podrían arrojar toda la señal", dijo Horodyskyj. "Si tienes metal, escombros, rocas, agua y hielo, es muy fácil distinguirlos. 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 características sutiles de hielo puedan crear una ilusión de nueva física.
Preguntas abiertas

Los físicos necesitan ver más antes de convencerse 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 de ANITA, "pero en mi opinión es bastante improbable".

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

En circunstancias normales, una ola que rebota en algo no rebota limpiamente, ya sea 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 cuestión es que yo mismo miré la ola", dijo Fox, "y no vi nada que me pareciera procesamiento".

Si algo reflejaba la ola hacia ANITA, lo hacía sin dejar rastros detectables.

"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 a Live Science.

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

En este modelo de espejo limpio, en realidad habría habido dos ráfagas de radio por cada anomalía ANITA. Una, la reflexión "primaria", habría sido volteada de la manera que ANITA espera. Pero si la superficie estuviera inclinada adecuadamente, rebotaría lejos de los sensores de ANITA. Solo el segundo estallido, 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 subterránea de las propiedades correctas, combinada con una pendiente de la superficie también con las propiedades correctas", dijo Gorham.

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

En este punto, sin embargo, dijo: "Si alguien me preguntara '¿Es esto una especie 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 firmes son cosas que sabemos que existen, sin requerir una nueva física. Entonces, si tuviera que hacer una apuesta, es en lo que apostaría mi dinero ".

Al mostrar rigurosamente cuán generalizadas están este tipo de características en la región de ANITA, el equipo de Shoemaker hizo un fuerte argumento de que algún tipo de reflejo inusual podría haber causado la anomalía de ANITA, dijo Fox. Pero aún no es un golpe de gracia para la nueva física. Para confirmar o refutar el documento 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 de glaciología, que se remontan 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 no publicado que parece contradecir lo que propusieron Shoemaker y sus coautores.

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

Horodyskyj estuvo de acuerdo con ese enfoque.

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

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

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

Llevar un radar lentamente por 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.

El mapeo del área pieza por pieza podría revelar la profundidad de las transiciones entre el glaciar y otros detalles que no serían detectables desde lejos, dijo.

"En el área donde están trabajando, es bastante seco, por lo que el nivel inicial puede extenderse realmente profundo en comparación con las 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 largo y físico de hielo podría revelar a simple vista cualquier capa inesperada que pueda interferir con las señales de radio, dijo.

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