Por Ashley Strickland, CNN
Los científicos intentan resolver un misterio de una década al determinar la identidad de señales anómalas detectadas bajo el hielo de la Antártida.
Las extrañas ondas de radio surgieron durante la búsqueda de otro fenómeno inusual: partículas cósmicas de alta energía conocidas como neutrinos. Al llegar a la Tierra desde los confines del cosmos, los neutrinos suelen llamarse “fantasmales” porque son extremadamente volátiles o etéreos, y pueden atravesar cualquier tipo de materia sin alterarse.
Durante la última década, los investigadores han realizado múltiples experimentos utilizando vastas extensiones de agua y hielo diseñadas para buscar neutrinos, los cuales podrían arrojar luz sobre los misteriosos rayos cósmicos, las partículas más energéticas del universo. Uno de estos proyectos fue el experimento Antena Transitoria Impulsiva Antártica de la NASA, o ANITA, por sus siglas en inglés, que voló globos con instrumentos sobre la Antártida entre 2006 y 2016.
Fue durante esta búsqueda que ANITA detectó ondas de radio anómalas que no parecían ser neutrinos.
Las señales provenían de debajo del horizonte, lo que sugiere que atravesaron miles de kilómetros de roca antes de llegar al detector. Pero las ondas de radio deberían haber sido absorbidas por la roca. El equipo de ANITA consideró que estas señales anómalas no podían explicarse con el conocimiento actual de la física de partículas.
Observaciones y análisis de seguimiento con otros instrumentos, incluido uno realizado recientemente por el Observatorio Pierre Auger en Argentina, no han podido detectar las mismas señales. Los resultados de la Colaboración Pierre Auger se publicaron en la revista Physical Review Letters en marzo.
El origen de las señales anómalas sigue siendo incierto, dijo la coautora del estudio Stephanie Wissel, profesora asociada de física, astronomía y astrofísica en la Universidad Estatal de Pensilvania.
“Nuestro nuevo estudio indica que tales (señales) no han sido vistas por un experimento como el Observatorio Pierre Auger”, dijo Wissel. “Así que no indica que haya una nueva física, sino mas bien más información para agregar a la historia”.
Detectores más grandes y sensibles podrían resolver el misterio, o finalmente demostrar si las señales anómalas fueron una casualidad, mientras continúa la búsqueda de los enigmáticos neutrinos y sus fuentes, dicen los científicos.
Detectar neutrinos en la Tierra permite a los investigadores rastrearlos hasta sus fuentes, que los científicos creen que son principalmente los rayos cósmicos que impactan la atmósfera de nuestro planeta.
Las partículas más energéticas del universo, los rayos cósmicos, están compuestos principalmente de protones o núcleos atómicos, y se liberan por todo el universo porque lo que los produce es un acelerador de partículas tan potente que supera con creces las capacidades del Gran Colisionador de Hadrones. Los neutrinos podrían ayudar a los astrónomos a comprender mejor los rayos cósmicos y qué los impulsa a través del cosmos.
Pero los neutrinos son difíciles de encontrar porque casi no tienen masa y pueden atravesar los entornos más extremos, como estrellas y galaxias enteras, sin alterarse. Sin embargo, interactúan con el agua y el hielo.
ANITA fue diseñado para buscar los neutrinos de mayor energía en el universo, a niveles más altos de energía que los que se han detectado hasta ahora, dijo Justin Vandenbroucke, profesor asociado de física en la Universidad de Wisconsin, Madison. Las antenas de radio del experimento buscan un pulso corto de ondas de radio producido cuando un neutrino choca con un átomo en el hielo antártico, lo que genera una lluvia de partículas de menor energía, explicó.
Durante sus vuelos, ANITA encontró fuentes de partículas de alta energía que salían del hielo, una especie de lluvia de rayos cósmicos al revés. El detector también es sensible a los rayos cósmicos de ultraalta energía que caen sobre la Tierra y crean una ráfaga de radio que actúa como un haz de linterna de ondas de radio.
Cuando ANITA observa un rayo cósmico, el haz de linterna es en realidad un estallido de ondas de radio de una milmillonésima de segundo de duración que puede mapearse como una onda para mostrar cómo se refleja en el hielo.
Dos veces, en los datos de los vuelos de ANITA, el equipo original del experimento detectó señales que surgían a través del hielo en un ángulo mucho más pronunciado de lo que predecía cualquier modelo, lo que hacía imposible rastrear las señales hasta sus fuentes originales.
“Las ondas de radio que detectamos hace casi una década estaban en ángulos realmente pronunciados, como 30 grados por debajo de la superficie del hielo”, dijo Wissel.
Los neutrinos pueden atravesar mucha materia, pero no pueden atravesar completamente la Tierra, señaló Vandenbroucke.
“Se espera que lleguen desde un poco por debajo del horizonte, donde no hay mucha Tierra para que sean absorbidos”, escribió en un correo electrónico. “Los eventos anómalos de ANITA son intrigantes porque parecen provenir desde muy por debajo del horizonte, por lo que los neutrinos tendrían que haber atravesado gran parte de la Tierra. Esto no es posible según el Modelo Estándar de la física de partículas”.
La Colaboración Pierre Auger, que incluye a cientos de científicos de todo el mundo, analizó más de una década de datos para intentar comprender las señales anómalas detectadas por ANITA.
El equipo también utilizó su observatorio para intentar encontrar las mismas señales. El Observatorio Auger es un detector híbrido que utiliza dos métodos para encontrar y estudiar rayos cósmicos. Un método se basa en detectar partículas de alta energía cuando interactúan con el agua en tanques en la superficie terrestre, y el otro rastrea posibles interacciones con la luz ultravioleta en la atmósfera de nuestro planeta.
“El Observatorio Auger utiliza una técnica muy diferente para observar lluvias de rayos cósmicos de ultraalta energía, usando el resplandor secundario de partículas cargadas al atravesar la atmósfera para determinar la dirección del rayo cósmico que la inició”, dijo Peter Gorham, profesor de física en la Universidad de Hawai en Mānoa. “Al usar simulaciones por computadora de cómo se vería una lluvia de partículas si se comportara como los eventos anómalos de ANITA, pueden generar una especie de plantilla para eventos similares y luego buscar en sus datos si aparece algo así”.
Gorham, quien no participó en la nueva investigación, diseñó el experimento ANITA y ha realizado otros estudios para comprender mejor las señales anómalas.
Aunque el Observatorio Auger fue diseñado para medir lluvias de partículas descendentes producidas en la atmósfera por rayos cósmicos de ultraalta energía, el equipo rediseñó su análisis de datos para buscar lluvias de aire ascendentes, explicó Vandenbroucke. Vandenbroucke no trabajó en el nuevo estudio, pero lo revisó antes de su publicación.
“Auger tiene un área de recolección enorme para este tipo de eventos, mayor que ANITA”, dijo. “Si los eventos anómalos de ANITA son producidos por alguna partícula que viaja a través de la Tierra y luego produce lluvias ascendentes, entonces Auger debería haber detectado muchos de ellos, y no lo hizo”.
Un estudio de seguimiento independiente utilizando el experimento IceCube, que tiene sensores incrustados profundamente en el hielo antártico, también buscó las señales anómalas.
“Debido a que IceCube es muy sensible, si los eventos anómalos de ANITA fueran neutrinos, los habríamos detectado”, escribió Vandenbroucke, quien fue colíder del grupo de trabajo de Fuentes de Neutrinos de IceCube entre 2019 y 2022.
“Es un problema interesante porque todavía no tenemos una explicación de qué son esas anomalías, pero lo que sí sabemos es que, muy probablemente, no representan neutrinos”, dijo Wissel.
Curiosamente, otro tipo de neutrino, llamado neutrino tau, es una de las hipótesis que algunos científicos han propuesto como causa de las señales anómalas.
Los neutrinos tau pueden regenerarse. Cuando decaen a altas energías, producen otro neutrino tau, así como una partícula llamada leptón tau, similar a un electrón, pero mucho más pesada.
Pero lo que hace que el escenario del neutrino tau sea muy poco probable es la inclinación del ángulo asociado a la señal, explicó Wissel.
“Se espera que todos estos neutrinos tau estén muy, muy cerca del horizonte, tal vez entre uno y cinco grados por debajo del horizonte”, dijo Wissel. “Estos están a 30 grados por debajo del horizonte. Simplemente hay demasiado material. Realmente perderían mucha energía y no serían detectables”.
Al final del día, Gorham y los demás científicos no tienen idea de cuál es el origen de los eventos anómalos de ANITA. Hasta ahora, ninguna interpretación coincide con las señales, lo que sigue atrayendo a los científicos a intentar resolver el misterio. Sin embargo, la respuesta podría estar cerca.
Wissel también está trabajando en un nuevo detector, el Payload for Ultra-High Energy Observations o PUEO, que volará sobre la Antártida durante un mes a partir de diciembre. Más grande y diez veces más sensible que ANITA, PUEO podría revelar más información sobre lo que está causando las señales anómalas detectadas por ANITA, dijo Wissel.
“En este momento, es uno de esos misterios de larga data”, dijo Wissel. “Me entusiasma que cuando volemos PUEO, tendremos mejor sensibilidad. En principio, deberíamos poder comprender mejor estas anomalías, lo que contribuirá en gran medida a entender nuestros antecedentes y, en última instancia, a detectar neutrinos en el futuro”.
Gorham dijo que PUEO, un acrónimo que hace referencia al búho hawaiano, debería tener la sensibilidad para captar muchas señales anómalas y ayudar a los científicos a encontrar una respuesta.
“A veces simplemente hay que volver al punto de partida y realmente averiguar qué son estas cosas”, dijo Wissel. “El escenario más probable es que se trate de alguna física mundana que pueda explicarse, pero estamos tocando todas las puertas para tratar de averiguar de qué se trata”.
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