Um detector de partículas cósmicas na Antártida emitiu uma série de sinais bizarros que desafiam a compreensão atual da física de partículas, de acordo com um grupo de pesquisa internacional que inclui cientistas da Universidade Estadual da Pensilvânia. Os pulsos de rádio incomuns foram detectados pelo experimento Antena Impulsiva Transiente Antártica (ANITA), um conjunto de instrumentos instalados em balões sobrevoando a Antártida, projetados para detectar ondas de rádio de raios cósmicos que atingem a atmosfera.

O objetivo do experimento é obter informações sobre eventos cósmicos distantes por meio da análise de sinais que chegam à Terra. Em vez de refletir no gelo, os sinais — uma forma de ondas de rádio — pareciam vir de abaixo do horizonte, uma orientação que não pode ser explicada pela compreensão atual da física de partículas e pode sugerir novos tipos de partículas ou interações até então desconhecidas pela ciência, afirmou a equipe.

Os pesquisadores publicaram seus resultados na revista Physical Review Letters .

"As ondas de rádio que detectamos estavam em ângulos muito íngremes, como 30 graus abaixo da superfície do gelo", disse Stephanie Wissel, professora associada de física, astronomia e astrofísica que trabalhou na equipe da ANITA em busca de sinais de partículas elusivas chamadas neutrinos .

Ela explicou que, pelos cálculos deles, o sinal anômalo teria que passar e interagir com milhares de quilômetros de rocha antes de chegar ao detector, o que deveria ter deixado o sinal de rádio indetectável, pois teria sido absorvido pela rocha.

"É um problema interessante porque ainda não temos uma explicação para o que são essas anomalias, mas o que sabemos é que elas provavelmente não representam neutrinos", disse Wissel.

Neutrinos, um tipo de partícula sem carga e com a menor massa entre todas as partículas subatômicas, são abundantes no universo. Geralmente emitidos por fontes de alta energia como o Sol ou por grandes eventos cósmicos como supernovas ou até mesmo o Big Bang, há sinais de neutrinos por toda parte. O problema com essas partículas, porém, é que elas são notoriamente difíceis de detectar, explicou Wissel.

Uma vez detectadas e rastreadas até sua origem, essas partículas podem revelar mais sobre eventos cósmicos do que até mesmo os telescópios mais potentes, acrescentou Wissel, pois as partículas podem viajar sem perturbações e quase tão rápido quanto a velocidade da luz, dando pistas sobre eventos cósmicos que aconteceram a anos-luz de distância.

Wissel e equipes de pesquisadores ao redor do mundo têm trabalhado para projetar e construir detectores especiais para capturar sinais sensíveis de neutrinos, mesmo em quantidades relativamente pequenas. Mesmo um pequeno sinal de um neutrino contém um tesouro de informações, portanto, todos os dados têm importância, disse ela.

"Usamos detectores de rádio para tentar construir telescópios de neutrinos realmente grandes, para que possamos atingir uma taxa de eventos esperada bem baixa", disse Wissel, que projetou experimentos para detectar neutrinos na Antártida e na América do Sul.

O ANITA é um desses detectores e foi instalado na Antártida porque há pouca chance de interferência de outros sinais. Para capturar os sinais de emissão, o detector de rádio transportado por balão é enviado para sobrevoar trechos de gelo, capturando o que chamamos de chuvas de gelo.

"Temos essas antenas de rádio em um balão que voa 40 quilômetros acima do gelo na Antártida", disse Wissel. "Apontamos nossas antenas para o gelo e procuramos neutrinos que interagem com ele, produzindo emissões de rádio que podemos então detectar em nossos detectores."

Esses neutrinos especiais que interagem com o gelo, chamados neutrinos tau, produzem uma partícula secundária chamada lépton tau, que é liberada do gelo e decai. O termo físico se refere à forma como a partícula perde energia ao viajar pelo espaço e se decompõe em seus constituintes. Isso produz emissões conhecidas como chuveiros atmosféricos.

Se fossem visíveis a olho nu, as chuvas atmosféricas poderiam parecer uma faísca acenando em uma direção, com faíscas deixando um rastro, explicou Wissel. Os pesquisadores conseguem distinguir entre os dois sinais — gelo e chuvas atmosféricas — para determinar atributos da partícula que criou o sinal.

Esses sinais podem então ser rastreados até sua origem, semelhante a como uma bola lançada em um ângulo previsivelmente ricocheteia no mesmo ângulo, disse Wissel. As recentes descobertas anômalas, no entanto, não podem ser rastreadas dessa maneira, pois o ângulo é muito mais acentuado do que os modelos existentes preveem.

Ao analisar dados coletados de vários voos da ANITA e compará-los com modelos matemáticos e simulações extensas de raios cósmicos regulares e chuvas atmosféricas ascendentes, os pesquisadores conseguiram filtrar o ruído de fundo e eliminar a possibilidade de outros sinais conhecidos baseados em partículas.

Os pesquisadores então cruzaram sinais de outros detectores independentes, como o Experimento IceCube e o Observatório Pierre Auger, para verificar se dados de chuvas atmosféricas ascendentes , semelhantes às encontradas pela ANITA, foram capturados por outros experimentos.

A análise revelou que os outros detectores não registraram nada que pudesse explicar o que o ANITA detectou, o que levou os pesquisadores a descrever o sinal como "anômalo", o que significa que as partículas que causam o sinal não são neutrinos, explicou Wissel.

Os sinais não se encaixam no quadro padrão da física de partículas e, embora várias teorias sugiram que pode ser um indício de matéria escura, a falta de observações de acompanhamento com IceCube e Auger realmente limita as possibilidades, disse ela.

A Penn State constrói detectores e analisa sinais de neutrinos há quase 10 anos, explicou Wissel, acrescentando que sua equipe está atualmente projetando e construindo o próximo grande detector. O novo detector , chamado PUEO, será maior e melhor na detecção de sinais de neutrinos, disse Wissel, e espera-se que esclareça o que exatamente é o sinal anômalo.

"Meu palpite é que algum efeito interessante de propagação de rádio ocorre perto do gelo e também perto do horizonte, algo que eu não entendo completamente, mas certamente exploramos vários deles, e ainda não conseguimos encontrar nenhum", disse Wissel.

"Então, neste momento, é um desses mistérios de longa data, e estou animado que, quando voarmos com o PUEO, teremos maior sensibilidade. Em princípio, devemos detectar mais anomalias e talvez realmente entendamos o que elas são. Também podemos detectar neutrinos, o que, de certa forma, seria muito mais emocionante."

O outro coautor da Penn State é Andrew Zeolla, um doutorando em física.