Teoria z czasów zimnej wojny doczekała się potwierdzenia
Chodzi bowiem o kosmiczne echo jednego z najbardziej niezwykłych zjawisk przewidzianych jeszcze w czasach zimnej wojny. Prowadzone kilka dekad później obserwacje mogą nie tylko potwierdzać długo wyczekiwaną teorię, ale dodatkowo otwierać zupełnie nowe okno na najbardziej ekstremalne procesy zachodzące we wszechświecie.
Czytaj też: Pioruny na Jowiszu mogą być potężniejsze, niż zakładano. Juno zajrzała pod chmury gazowego olbrzyma
Wszystko zaczęło się w 1962 roku, kiedy radziecki fizyk Gurgen Askaryan zaproponował, iż wysokoenergetyczne cząstki przechodzące przez gęste ośrodki – takie jak lód, sól czy skały – powinny generować charakterystyczne impulsy fal radiowych. Zjawisko to, dziś znane jako efekt Askaryana, wynika z powstawania lawiny wtórnych cząstek. W jej trakcie zbierane są elektrony z otoczenia, tworząc front o nadmiarowym ładunku ujemnym, który emituje krótkie, acz intensywne sygnały radiowe.
Przez cały ten czas teoria pozostawała trudna do potwierdzenia w naturalnych warunkach, szczególnie w lodzie Antarktydy. Sytuacja zmieniła się dopiero teraz. Zespół badawczy korzystający z detektora Askaryan Radio Array zarejestrował 13 nietypowych impulsów radiowych dochodzących spod powierzchni lodu. Jego członkowie zbierali dane przez ponad 200 dni, a sygnały okazały się niezwykle spójne z przewidywaniami teoretycznymi.
Askaryan Radio Array na tropie impulsów radiowych pochodzących spod powierzchni lodu
To, co czyni odkrycie przełomowym, to nie tylko sama detekcja, ale i zgodność szczegółów. Analiza wykazała, że kierunki nadejścia fal, ich widmo częstotliwości oraz polaryzacja dokładnie odpowiadają temu, czego można było oczekiwać od promieniowania Askaryana powstającego w lodzie. Co więcej, prawdopodobieństwo, iż sygnały są jedynie przypadkowym szumem, oszacowano na mniej niż jeden na kilka milionów. Odpowiada to standardowi statystycznemu uznawanemu w fizyce za odkrycie.
Źródłem tych sygnałów nie są jednak same neutrina. Najprawdopodobniej są nim natomiast wysokoenergetyczne promienie kosmiczne uderzające w powierzchnię lodu. W wyniku takiego zderzenia powstaje kaskada cząstek, która wnika w głąb lodu i generuje radiowy błysk. To właśnie te rozbłyski w lodzie zostały zarejestrowane przez aparaturę badawczą, z jakiej korzystali autorzy publikacji zamieszczonej na łamach Physical Review Letters.
Czytaj też: Laser neutrinowy. Amerykański przełom może zrewolucjonizować naukę i komunikację podziemną
Choć może się wydawać, że to tylko potwierdzenie starej teorii, realne konsekwencje opisywanego odkrycia będą znacznie większe. Antarktyczny lód działa jak naturalny detektor o gigantycznej objętości. Jeśli można wiarygodnie wykrywać w nim efekt Askaryana, oznacza to, że naukowcy są o krok bliżej do obserwacji jednych z najbardziej tajemniczych cząstek we wszechświecie: ultrawysokoenergetycznych neutrin. Te niemal bezmasowe cząstki przenikają przez materię praktycznie bez interakcji, dlatego ich detekcja jest niezwykle trudna, a jednocześnie niezwykle cenna dla astrofizyki.
Eksperymenty takie jak Askaryan Radio Array zostały zaprojektowane właśnie z myślą o takich obserwacjach. Rozmieszczone głęboko pod lodem anteny nasłuchują krótkich impulsów radiowych, które mogą zdradzać obecność cząstek o energiach niewyobrażalnie większych niż te osiągane w ziemskich akceleratorach. Potwierdzenie działania tej metody w praktyce oznacza, że możliwe staje się budowanie jeszcze większych detektorów, obejmujących setki kilometrów sześciennych lodu. Naukowcy podkreślają jednak, że to dopiero początek. Kluczowym wyzwaniem pozostaje odróżnienie sygnałów pochodzących od promieni kosmicznych od tych generowanych przez neutrina. Różnica tkwi głównie w geometrii zdarzeń. Dlaczego? Bo promienie kosmiczne oddziałują bliżej powierzchni, podczas gdy neutrina mogą penetrować znacznie głębiej, zanim wywołają wykrywalny efekt.
Źródło: Physical Review Letters
