AGI – Un rivelatore di particelle cosmiche in Antartide ha emesso una serie di segnali bizzarri che sfidano l’attuale comprensione della fisica delle particelle, secondo un gruppo di ricerca internazionale che include scienziati della Penn State. Gli insoliti impulsi radio sono stati rilevati dall’esperimento Antarctic Impulsive Transient Antenna (Anita), una serie di strumenti installati su palloni aerostatici ad alta quota sopra l’Antartide, progettati per rilevare le onde radio dei raggi cosmici che colpiscono l’atmosfera. L’obiettivo dell’esperimento è quello di comprendere meglio eventi cosmici distanti analizzando i segnali che raggiungono la Terra. Anziché riflettersi sul ghiaccio, i segnali – una forma di onde radio – sembravano provenire da sotto l’orizzonte, un orientamento che non può essere spiegato dalle attuali conoscenze della fisica delle particelle e che potrebbe suggerire l’esistenza di nuovi tipi di particelle o interazioni precedentemente sconosciute alla scienza, ha affermato il team. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Physical Review Letters.
Il segnale inspiegabile sotto il ghiaccio
“Le onde radio che abbiamo rilevato avevano angoli molto ripidi, circa 30 gradi sotto la superficie del ghiaccio”, ha affermato Stephanie Wissel, professoressa associata di fisica, astronomia e astrofisica che ha lavorato nel team Anita alla ricerca di segnali provenienti da particelle elusive chiamate neutrini. Ha spiegato che, secondo i loro calcoli, il segnale anomalo avrebbe dovuto attraversare e interagire con migliaia di chilometri di roccia prima di raggiungere il rilevatore, il che avrebbe dovuto rendere il segnale radio non rilevabile perché sarebbe stato assorbito dalla roccia. “È un problema interessante perché non abbiamo ancora una spiegazione precisa di cosa siano queste anomalie, ma quello che sappiamo è che molto probabilmente non rappresentano neutrini”, ha affermato Wissel.
I neutrini, un tipo di particella priva di carica e con la massa più piccola tra tutte le particelle subatomiche, sono abbondanti nell’universo. Solitamente emessi da fonti ad alta energia come il Sole o da grandi eventi cosmici come le supernove o persino il Big Bang, i segnali dei neutrini sono presenti ovunque. Il problema con queste particelle, però, è che sono notoriamente difficili da rilevare, ha spiegato Wissel. “Un miliardo di neutrini ti attraversa l’unghia del pollice in qualsiasi momento, ma i neutrini non interagiscono realmente – ha detto – quindi, questo è il problema dell’arma a doppio taglio. Se li rileviamo, significa che hanno percorso tutto questo percorso senza interagire con nient’altro. Potremmo rilevare un neutrino proveniente dai confini dell’universo osservabile”.
Tecnologie e osservazioni dal cielo antartico
Una volta individuate e rintracciate fino alla loro fonte, queste particelle possono rivelare di più sugli eventi cosmici persino dei telescopi più potenti, ha aggiunto Wissel, poiché possono viaggiare indisturbate e quasi alla velocità della luce, fornendo indizi sugli eventi cosmici che si sono verificati ad anni luce di distanza. Wissel e team di ricercatori in tutto il mondo hanno lavorato per progettare e costruire rivelatori speciali in grado di catturare segnali di neutrini sensibili, anche in quantità relativamente piccole. Anche un piccolo segnale di neutrino racchiude un tesoro di informazioni, quindi tutti i dati sono significativi, ha affermato.
“Utilizziamo rilevatori radio per cercare di costruire telescopi per neutrini davvero molto grandi, in modo da poterci concentrare su un tasso di eventi previsto piuttosto basso”, ha affermato Wissel, che ha progettato esperimenti per individuare i neutrini in Antartide e in Sud America. Anita è uno di questi rilevatori ed è stato posizionato in Antartide perché presenta scarse possibilità di interferenze da altri segnali. Per captare i segnali di emissione, il rilevatore radio trasportato su pallone aerostatico viene inviato a sorvolare distese di ghiaccio, catturando le cosiddette “sciarpe di ghiaccio”.
“Abbiamo queste antenne radio su un pallone che vola a 40 chilometri sopra il ghiaccio dell’Antartide – ha detto Wissel – puntiamo le nostre antenne verso il ghiaccio e cerchiamo i neutrini che interagiscono con esso, producendo emissioni radio che possiamo poi rilevare sui nostri rilevatori”. Questi speciali neutrini che interagiscono con il ghiaccio, chiamati neutrini tau, producono una particella secondaria chiamata leptone tau che viene rilasciata dal ghiaccio e decade, termine che in fisica si riferisce al modo in cui la particella perde energia mentre viaggia nello spazio e si scompone nei suoi costituenti. Questo produce emissioni note come sciami atmosferici. Se fossero visibili a occhio nudo, gli sciami di scintille potrebbero apparire come una scintilla che ondeggia in una direzione, con scintille che la seguono, ha spiegato Wissel. I ricercatori possono distinguere tra i due segnali – ghiaccio e sciami di scintille – per determinare le caratteristiche della particella che ha generato il segnale.
I recenti risultati anomali, tuttavia, non possono essere ricondotti in questo modo, poiché l’angolo è molto più acuto di quanto previsto dai modelli esistenti. Analizzando i dati raccolti da diversi voli Anita e confrontandoli con modelli matematici e simulazioni approfondite sia dei normali raggi cosmici sia degli sciami atmosferici ascendenti, i ricercatori sono riusciti a filtrare il rumore di fondo ed eliminare la possibilità di altri segnali noti basati su particelle. I ricercatori hanno poi incrociato i segnali provenienti da altri rilevatori indipendenti, come l’esperimento IceCube e l’Osservatorio Pierre Auger, per verificare se i dati provenienti da sciami di stelle che si elevano verso l’alto, simili a quelli rilevati da Anita, fossero stati catturati da altri esperimenti. L’analisi ha rivelato che gli altri rivelatori non hanno registrato nulla che potesse spiegare ciò che Anita ha rilevato, il che ha portato i ricercatori a descrivere il segnale come “anomalo”, il che significa che le particelle che lo causano non sono neutrini, ha spiegato Wissel.
I segnali non rientrano nel quadro standard della fisica delle particelle e, sebbene diverse teorie suggeriscano che potrebbe trattarsi di un indizio di materia oscura, la mancanza di osservazioni di follow-up con IceCube e Auger riduce notevolmente le possibilità, ha affermato. La Penn State costruisce rivelatori e analizza i segnali dei neutrini da quasi 10 anni, ha spiegato Wissel, aggiungendo che il suo team sta attualmente progettando e costruendo il prossimo grande rivelatore. Il nuovo rilevatore, chiamato Pueo, sarà più grande e più efficace nel rilevare i segnali dei neutrini, ha detto Wissel, e si spera che possa far luce sulla natura esatta del segnale anomalo.
“La mia ipotesi è che si verifichi un interessante effetto di propagazione radio vicino al ghiaccio e anche vicino all’orizzonte che non comprendo appieno, ma ne abbiamo certamente esplorati diversi, e non siamo ancora riusciti a trovarne nessuno – ha detto Wissel – quindi, al momento, è uno di questi misteri di vecchia data, e sono entusiasta che quando voleremo con Pueo, avremo una maggiore sensibilità. In linea di principio, dovremmo rilevare più anomalie, e forse capiremo effettivamente di cosa si tratta. Potremmo anche rilevare neutrini, il che per certi versi sarebbe molto più entusiasmante”.
L’altro coautore della Penn State è Andrew Zeolla, dottorando in fisica. La ricerca condotta dagli scienziati della Penn State è stata finanziata dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation. L’articolo contiene l’elenco completo dei collaboratori e degli autori.
