Az Antarktiszon üzemeltetett kozmikus részecskedetektor furcsa jeleket azonosított, amelyek ellentmondanak a részecskefizika jelenlegi ismereteinek – állítja egy nemzetközi kutatócsoport, amelynek tagjai között dolgoznak a Pennsylvaniai Egyetem tudósai is.

A szokatlan rádióimpulzusokat az Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) kísérlet során észlelték, amelynek keretében az Antarktisz felett magasban repülő ballonokon elhelyezett műszerekkel a légkörbe becsapódó kozmikus sugárzásból származó rádióhullámokat észlelik – írja a Penn State híroldala.

A kísérlet célja, hogy a Földre érkező jelek elemzésével betekintést nyerjenek a távoli kozmikus eseményekbe. A jelek – amelyek egyfajta rádióhullámok – nem a jégről verődtek vissza, hanem úgy tűnt, hogy a horizont alattról érkeznek, amit a részecskefizika jelenlegi ismeretei alapján nem lehet magyarázni, és új, a tudomány számára eddig ismeretlen részecskékre vagy kölcsönhatásokra utalhat – állítja a kutatócsoport, amely az eredményeit a Physical Review Letters folyóiratban tette közzé.

„Az általunk észlelt rádióhullámok nagyon meredek szögben érkeztek, mintegy 30 fokkal a jég felszíne alatt” – mondta Stephanie Wissel, az egyetem fizika, csillagászat és asztrofizika docense.

A szakember az ANITA csapatában a neutrínóknak nevezett, nehezen megfogható részecskék jelzéseit kereste. A számításaik szerint az anomális jelnek több ezer kilométernyi kőzeten kellett áthaladnia mielőtt elérte a detektort, csakhogy a rádiójelnek észrevehetetlennek kellett volna maradnia, mert a kőzetnek el kellett volna nyelnie.

„Ez egy érdekes probléma, mert még mindig nincs magyarázatunk arra, hogy mik ezek az anomáliák, de azt tudjuk, hogy nagy valószínűséggel nem neutrínókat jelentenek” – mondta Wissel.

A neutrínók töltés nélküli és a legkisebb tömegű szubatomi részecskék, bőségesen vannak jelen az univerzumban. Általában nagy energiájú források, például a Napból, vagy nagy kozmikus eseményekből, például szupernóvákból, vagy akár az ősrobbanásból származnak, így a neutrínójelek mindenhol megtalálhatók. Csakhogy nagyon nehéz észlelni őket.

„Bármelyik pillanatban milliárdnyi neutrínó halad át egyetlen ujjunkon is, de a neutrínók nem igazán lépnek kölcsönhatásba. Ez tehát egy kétélű kard. Ha észleljük őket, az azt jelenti, hogy egész úton semmivel sem léptek kölcsönhatásba. Lehet, hogy a megfigyelhető univerzum széléről érkező neutrínót észlelünk” – magyarázta Wissel.

Miután detektálták őket és nyomon követték a forrásukat, ezek a részecskék még a legerősebb távcsöveknél is többet árulhatnak el a kozmikus eseményekről, mivel a részecskék zavartalanul és szinte a fény sebességével haladnak, így nyomokat adnak a rendkívül távol eső kozmikus eseményekről.

Wissel és a világ különböző pontjain dolgozó kutatócsoportok olyan speciális detektorok tervezésén és építésén dolgoznak, amelyek még viszonylag kis mennyiségű, neutrínójelet is képesek érzékelni. Ezek is rengeteg információt rejtenek, ezért minden adatnak jelentősége van a kutató szerint.

„Rádiódetektorokat használunk, hogy nagyon nagy neutrínóteleszkópokat építsünk, amelyekkel megfigyelhetjük a várhatóan nagyon alacsony gyakoriságú eseményeket” – mondta Wissel.

Az ANITA egy ilyen detektor, amelyet az Antarktiszon helyeztek el, mert ott csekély az esélye, hogy más jelek bezavarjanak.

„Ezeket a rádióantennákat egy ballonra szereltük, amely 40 kilométer magasan repül az Antarktisz jégmezői felett. Az antennákat a jég felé irányítjuk és a jéggel kölcsönhatásba lépő neutrínókat keresünk, amelyek a detektoraink által érzékelhető rádiójeleket bocsátanak ki” – ismertette a módszerüket a szakember.

Ezek a jéggel kölcsönhatásba lépő speciális neutrínók, az úgynevezett tau-neutrínók, egy tau-lepton nevű másodlagos részecskét hoznak létre, amely kiszabadul a jégből és elbomlik. A fizika ezt a jelenséget úgy nevezi, hogy a részecske energiát veszít, miközben az űrben halad, és alkotóelemeire bomlik. Ez légzuhanyok néven ismert sugárzást eredményez. A kutatók meg tudják különböztetni a két jelet – a jégből kapottakat és a légzuhanyokat –, hogy meghatározzák a jelet létrehozó részecske tulajdonságait.

Az ANITA több repülésén gyűjtött adatok elemzésével képesek voltak kiszűrni a háttérzajt és kizárni más ismert részecskealapú jelek lehetőségét. Ezután összehasonlították más független detektorok, például az IceCube Experiment és a Pierre Auger Observatory jelzéseit, hogy megnézzék, más kísérletek is rögzítettek-e az ANITA által találtakhoz hasonló, felfelé irányuló légzuhanyok adatait.

Az elemzés kimutatta, hogy a többi detektor nem regisztrált semmit, ami magyarázatot adhatott volna az ANITA által észlelt jelre, ami arra késztette a kutatókat, hogy a jelet „anomáliának” minősítsék. Ez azt jelenti Wissel szerint, hogy a jelet okozó részecskék nem neutrínók. Elmondása szerint a jelek nem illeszkednek a részecskefizika standard képébe, és bár több elmélet is arra utal, hogy ez a sötét anyag nyomára vezethet, az IceCube és az Auger által végzett további megfigyelések hiánya jelentősen szűkíti a lehetőségeket.

A Penn State közel 10 éve épít detektorokat és elemzi a neutrínójeleket, az egyetem csapata jelenleg a következő nagy detektort (PUEO) tervezi és építi, amely nagyobb lesz és jobban fogja érzékelni a neutrínójeleket, s talán fényt derít arra is, hogy pontosan mi is ez a rejtélyes antarktiszi jel.

„Az én tippem az, hogy valami érdekes rádióhullám-terjedési hatás lép fel a jég közelében és a horizont közelében is, amit nem teljesen értek, de többet is megvizsgáltunk közülük, és még egyik sem bizonyult helyesnek. Izgatottan várom, hogy a nagyobb érzékenységű PUEO repüljön. Elvileg több anomáliát kellene észrevennünk, és talán meg is fogjuk érteni, hogy mik azok. Lehet, hogy neutrínókat is észlelünk, ami bizonyos szempontból sokkal izgalmasabb lenne” – tekintett előre Wissel.

(Cs.Áron)