Vreemde radiogolven gedetecteerd afkomstig van ijs in Antarctica

Een kosmische deeltjesdetector in Antarctica heeft een reeks bizarre signalen ontvangen die het huidige begrip van deeltjesfysica tarten. Dat schrijft een internationale onderzoeksgroep waaraan wetenschappers van de Amerikaanse Penn State University deelnemen.

De ongebruikelijke radiopulsen werden gedetecteerd door het Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA)-experiment.

Dit is een reeks instrumenten die met ballonnen hoog boven Antarctica worden meegevoerd en die zijn ontworpen om radiogolven te detecteren van kosmische straling die de atmosfeer raakt.

Het doel van het ANITA-experiment

Het doel van het experiment is om inzicht te krijgen in verre kosmische gebeurtenissen door signalen te analyseren die de aarde bereiken. In plaats van te worden weerkaatst door het ijs, leken de signalen (een vorm van radiogolven) afkomstig te zijn van onder de horizon. En dat is een oriëntatie die niet kan worden verklaard door de huidige kennis van de deeltjesfysica. Dus dat zou kunnen wijzen op nieuwe soorten deeltjes. Of op interacties die tot nu toe onbekend waren voor de wetenschap, aldus het team.

De onderzoekers publiceerden hun resultaten in het tijdschrift Physical Review Letters.

Een zeer steile hoek

“De radiogolven die we hebben gedetecteerd, hadden een zeer steile hoek. Ongeveer 30 graden onder het oppervlak van het ijs”, aldus Stephanie Wissel. Zij is universitair hoofddocent natuurkunde, astronomie en astrofysica. En ze maakte deel uit van het ANITA-team dat op zoek was naar signalen van ongrijpbare deeltjes, neutrino’s genaamd.

Ze legde uit dat volgens hun berekeningen het afwijkende signaal duizenden kilometers rots moest doorkruisen. En daarmee in wisselwerking moest treden voordat het de detector bereikte. Het het radiosignaal had dus niet detecteerbaar moeten zijn omdat het door de rots zou zijn geabsorbeerd.

“Het is een interessant probleem omdat we nog steeds geen verklaring hebben voor wat die afwijkingen zijn. Maar wat we wel weten is dat ze hoogstwaarschijnlijk geen neutrino’s vertegenwoordigen”, aldus Wissel.

Subatomaire neutrino’s

Neutrino’s, een type deeltje zonder lading en met de kleinste massa van alle subatomaire deeltjes, komen veel voor in het universum. Ze worden meestal uitgezonden door hoogenergetische bronnen zoals de zon of grote kosmische gebeurtenissen zoals supernova’s. Of zelfs door de oerknal. En neutrino-signalen zijn overal aanwezig. Het probleem met deze deeltjes is echter dat ze notoir moeilijk te detecteren zijn, legde Wissel uit.

“Er gaan op elk moment een miljard neutrino’s door je duimnagel. Maar neutrino’s gaan niet echt een interactie aan”, zei ze. “Dit is dus een tweesnijdend zwaard. Als we ze detecteren, betekent dit dat ze deze hele weg hebben afgelegd zonder met iets anders in interactie te treden. We zouden een neutrino kunnen detecteren dat afkomstig is van de rand van het waarneembare universum.”

Eenmaal gedetecteerd en teruggevoerd naar hun bron, kunnen deze deeltjes meer onthullen over kosmische gebeurtenissen dan zelfs de krachtigste telescopen, voegde Wissel toe, aangezien de deeltjes ongestoord en bijna net zo snel als het licht kunnen reizen. Daardoor geven ze aanwijzingen over kosmische gebeurtenissen die lichtjaren verderop hebben plaatsgevonden.

Wissel en teams van onderzoekers over de hele wereld hebben gewerkt aan het ontwerpen en bouwen van speciale detectoren om gevoelige neutrino-signalen op te vangen. Zelfs in relatief kleine hoeveelheden. Immers, ook één klein signaal van een neutrino bevat een schat aan informatie. Dus alle gegevens zijn van belang, zei ze.

Hele grote neutrinotelescopen

“We gebruiken radiodetectoren om echt hele grote neutrinotelescopen te bouwen, zodat we een vrij lage verwachte gebeurtenisfrequentie kunnen nastreven”, aldus Wissel. Zij heeft experimenten ontworpen om neutrino’s in Antarctica en Zuid-Amerika te detecteren.

ANITA is een van deze detectoren. En deze is in Antarctica geplaatst omdat daar weinig kans is op interferentie van andere signalen. Om de emissiesignalen op te vangen, wordt de ballongebonden radiodetector boven uitgestrekte ijsgebieden gevlogen. En daar vangt hij zogenaamde iceshowers op.

“We hebben deze radioantennes op een ballon die 40 kilometer boven het ijs in Antarctica vliegt”, aldus Wissel. “We richten onze antennes op het ijs en zoeken naar neutrino’s die in het ijs interageren en radio-emissies produceren die we vervolgens met onze detectoren kunnen waarnemen.”

Tau-neutrino’s en tau-leptonen

Deze speciale neutrino’s die in wisselwerking staan met ijs, tau-neutrino’s genaamd, produceren een secundair deeltje, een tau-lepton genaamd, dat uit het ijs vrijkomt en vervalt. Dit is de natuurkundige term voor het proces waarbij het deeltje energie verliest terwijl het door de ruimte reist en uiteenvalt in zijn bestanddelen. Dit produceert emissies die bekend staan als airshowers.

Als ze met het blote oog zichtbaar zouden zijn, zouden airshowers eruitzien als een sterretje dat in één richting wordt gezwaaid, met vonken die erachteraan komen, legde Wissel uit. De onderzoekers kunnen onderscheid maken tussen de twee signalen, ice- en airshowers, om eigenschappen te bepalen van het deeltje dat het signaal heeft veroorzaakt.

Deze signalen kunnen vervolgens worden teruggevoerd naar hun oorsprong. Dat is vergelijkbaar met hoe een bal die onder een hoek wordt gegooid, voorspelbaar onder dezelfde hoek terugkaatst, aldus Wissel. De recente afwijkende bevindingen kunnen echter niet op deze manier worden getraceerd. Dit is omdat de hoek veel scherper is dan bestaande modellen voorspellen.

Door gegevens te analyseren die zijn verzameld tijdens meerdere ANITA-vluchten en deze te vergelijken met wiskundige modellen en uitgebreide simulaties van zowel reguliere kosmische straling als opwaartse airshowers, konden de onderzoekers achtergrondruis wegfilteren en de mogelijkheid van andere bekende deeltjes gebaseerde signalen uitsluiten.

Vergelijken met onafhankelijke detectoren

Vervolgens vergeleken de onderzoekers de signalen met die van andere onafhankelijke detectoren, zoals het IceCube-experiment en het Pierre Auger-observatorium. Dit om te zien of gegevens van opwaartse airshowers, vergelijkbaar met die van ANITA, ook door andere experimenten waren geregistreerd.

Uit de analyse bleek dat de andere detectoren niets hadden geregistreerd dat een verklaring kon bieden voor wat ANITA had gedetecteerd. Daardoor omschreven de onderzoekers het signaal als “afwijkend”, wat betekent dat de deeltjes die het signaal veroorzaken geen neutrino’s zijn, legde Wissel uit. De signalen passen niet binnen het standaardbeeld van de deeltjesfysica. En hoewel verschillende theorieën suggereren dat het een aanwijzing voor donkere materie zou kunnen zijn, beperkt het gebrek aan vervolgobservaties met IceCube en Auger de mogelijkheden aanzienlijk, zei ze.

Tien jaar ervaring

Penn State bouwt al bijna tien jaar detectoren en analyseert neutrino-signalen, legde Wissel uit. En ze voegde eraan toe dat haar team momenteel bezig is met het ontwerpen en bouwen van de volgende grote detector. De nieuwe detector, PUEO genaamd, zal groter zijn en beter in het detecteren van neutrino-signalen, zei Wissel. En hopelijk zal hij licht werpen op wat het afwijkende signaal precies is.

“Ik vermoed dat er een interessant radio-propagatie-effect optreedt in de buurt van ijs en ook in de buurt van de horizon, dat ik niet volledig begrijp. Maar we hebben er zeker een aantal onderzocht. En we hebben er ook nog geen kunnen vinden”, zei Wissel. “Dus op dit moment is het een van die langdurige mysteries. En ik ben enthousiast dat we, wanneer we PUEO in gebruik nemen, een betere gevoeligheid zullen hebben. In principe zouden we meer anomalieën moeten oppikken. En misschien zullen we dan ook begrijpen wat ze zijn. We zouden ook neutrino’s kunnen detecteren. En dat zou in sommige opzichten nog veel spannender zijn.”

De andere coauteur van Penn State is Andrew Zeolla, een promovendus in de natuurkunde. Het onderzoek van wetenschappers van Penn State werd gefinancierd door het Amerikaanse Ministerie van Energie en de Amerikaanse National Science Foundation. Het artikel bevat de volledige lijst van medewerkers en auteurs.

Bij Penn State lossen onderzoekers echte problemen op die van invloed zijn op de gezondheid, veiligheid en levenskwaliteit van mensen in het Gemenebest, het land en de rest van de wereld.

Met dank aan Tom PC5D