Wissenschaftler versuchen, ein seit Jahrzehnten bestehendes Rätsel zu lösen, indem sie die Identität der anomalen Signale bestimmen, die unter dem Eis der Antarktis empfangen wurden.Die seltsamen Radiowellen tauchten während der Suche nach einem anderen ungewöhnlichen Phänomen auf: hochenergetischen kosmischen Teilchen, die als Neutrinos bekannt sind. Neutrinos kommen aus den Weiten des Kosmos auf die Erde und werden oft als „Geisterteilchen“ bezeichnet, da sie extrem flüchtig oder gasförmig sind und jede Art von Materie unverändert durchdringen können.
In den letzten zehn Jahren haben Forscher mehrere Experimente mit riesigen Wasser- und Eisflächen durchgeführt, um nach Neutrinos zu suchen, die Aufschluss über mysteriöse kosmische Strahlen geben könnten, die energiereichsten Teilchen im Universum. Eines dieser Projekte war das Experiment „Antarctic Impulsive Transient Antenna” (ANITA) der NASA, bei dem zwischen 2006 und 2016 Ballons mit Instrumenten über die Antarktis flogen.
Während dieser Suche empfing ANITA anomale Radiowellen, die nicht von Neutrinos zu stammen schienen.
Die Signale kamen von unterhalb des Horizonts, was darauf hindeutete, dass sie Tausende von Kilometern Gestein durchdrungen hatten, bevor sie den Detektor erreichten. Die Radiowellen hätten jedoch vom Gestein absorbiert werden müssen. Das ANITA-Team war der Ansicht, dass diese anomalen Signale mit dem aktuellen Stand der Teilchenphysik nicht erklärt werden konnten.
Folgebeobachtungen und Analysen mit anderen Instrumenten, darunter eine kürzlich vom Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien durchgeführte, konnten die gleichen Signale nicht finden. Die Ergebnisse der Pierre-Auger-Kollaboration wurden im März in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Die Ursache der anomalen Signale bleibt unklar, sagte die Mitautorin der Studie, Stephanie Wissel, Associate Professor für Physik, Astronomie und Astrophysik an der Pennsylvania State University.
„Unsere neue Studie zeigt, dass solche (Signale) noch nie in einem Experiment wie dem Pierre-Auger-Observatorium beobachtet wurden”, sagte Wissel. „Das bedeutet also nicht, dass es neue physikalische Phänomene gibt, sondern dass wir mehr Informationen haben, die wir zu dieser Geschichte hinzufügen können.”
Größere, empfindlichere Detektoren könnten das Rätsel lösen oder letztendlich beweisen, ob es sich bei den anomalen Signalen um einen Zufall handelt, während die Suche nach den rätselhaften Neutrinos und ihren Quellen fortgesetzt wird, sagen Wissenschaftler.
Die Suche nach Neutrinos
Die Detektion von Neutrinos auf der Erde ermöglicht es Forschern, sie bis zu ihren Quellen zurückzuverfolgen, bei denen es sich nach Ansicht von Wissenschaftlern in erster Linie um kosmische Strahlung handelt, die auf die Atmosphäre unseres Planeten trifft.
Kosmische Strahlung ist die energiereichste Form von Teilchen im Universum und besteht hauptsächlich aus Protonen oder Atomkernen. Sie wird im gesamten Universum freigesetzt, da der Ursprung dieser Teilchen ein so leistungsstarker Teilchenbeschleuniger ist, dass er die Fähigkeiten des Large Hadron Colliders in den Schatten stellt. Neutrinos könnten Astronomen helfen, kosmische Strahlung und ihre Entstehung besser zu verstehen.
Neutrinos sind jedoch schwer zu finden, da sie fast keine Masse haben und selbst extremste Umgebungen wie Sterne und ganze Galaxien unverändert durchdringen können. Sie interagieren jedoch mit Wasser und Eis.
ANITA wurde entwickelt, um nach den energiereichsten Neutrinos im Universum zu suchen, die höhere Energien haben als bisher nachgewiesen, sagte Justin Vandenbroucke, Associate Professor für Physik an der University of Wisconsin in Madison. Die Radioantennen des Experiments suchen nach kurzen Radiowellenimpulsen, die entstehen, wenn ein Neutrino mit einem Atom im antarktischen Eis kollidiert und eine Dusche aus Teilchen mit niedrigerer Energie auslöst, erklärte er.
Während seiner Flüge entdeckte ANITA hochenergetische Teilchenfontänen, die aus dem Eis kamen, eine Art umgekehrter kosmischer Strahlungsregen. Der Detektor ist auch empfindlich für ultrahochenergetische kosmische Strahlung, die auf die Erde regnet und einen Radioimpuls erzeugt, der wie ein Blitzlichtstrahl aus Radiowellen wirkt.
Wenn ANITA einen kosmischen Strahl beobachtet, ist der Blitzstrahl in Wirklichkeit ein Radiowellenimpuls von einer Milliardstel Sekunde Dauer, der wie eine Welle kartiert werden kann, um zu zeigen, wie er vom Eis reflektiert wird.
Eine Anomalie in den Daten
Zweimal entdeckte das ursprüngliche Team des Experiments in den Daten der ANITA-Flüge Signale, die in einem viel schärferen Winkel als jemals von Modellen vorhergesagt durch das Eis kamen, sodass es unmöglich war, die Signale zu ihren ursprünglichen Quellen zurückzuverfolgen.
„Die Radiowellen, die wir vor fast einem Jahrzehnt entdeckt haben, kamen in wirklich steilen Winkeln, etwa 30 Grad unter der Oberfläche des Eises“, sagte Wissel.
Neutrinos können zwar viel Materie durchdringen, aber nicht die gesamte Erde, so Vandenbroucke.
„Es wird erwartet, dass sie etwas unterhalb des Horizonts eintreffen, wo sie nicht viel Erde absorbieren können“, schrieb er in einer E-Mail. „Die anomalen Ereignisse von ANITA sind faszinierend, weil sie offenbar weit unterhalb des Horizonts auftreten, sodass die Neutrinos einen Großteil der Erde durchqueren müssten. Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik ist dies nicht möglich.“
Die Instrumente von ANITA wurden entwickelt, um Radiowellen von kosmischen Strahlen zu erfassen, die auf die Atmosphäre treffen.
Die Pierre Auger Collaboration, an der Hunderte von Wissenschaftlern aus aller Welt beteiligt sind, analysierte Daten aus mehr als einem Jahrzehnt, um die von ANITA erfassten anomalen Signale zu verstehen.
Das Team nutzte auch sein Observatorium, um die gleichen Signale zu finden. Das Auger-Observatorium ist ein Hybriddetektor, der zwei Methoden zum Auffinden und Untersuchen kosmischer Strahlung verwendet. Eine Methode basiert auf der Suche nach hochenergetischen Teilchen, die mit Wasser in Tanks auf der Erdoberfläche interagieren, die andere verfolgt potenzielle Wechselwirkungen mit ultraviolettem Licht in der hohen Atmosphäre unseres Planeten.
„Das Auger-Observatorium verwendet eine ganz andere Technik zur Beobachtung von ultrahochenergetischen kosmischen Strahlungsluftschauern. Dabei wird das sekundäre Leuchten geladener Teilchen bei ihrem Durchgang durch die Atmosphäre genutzt, um die Richtung der kosmischen Strahlung zu bestimmen, die sie ausgelöst hat“, erklärte Peter Gorham, Professor für Physik an der Universität von Hawaii in Mānoa. „Mithilfe von Computersimulationen, die zeigen, wie ein solcher Teilchenschauer aussehen würde, wenn er sich wie die anomalen Ereignisse von ANITA verhalten hätte, können sie eine Art Vorlage für ähnliche Ereignisse erstellen und dann ihre Daten durchsuchen, um zu sehen, ob etwas Ähnliches auftritt.“
Gorham, der nicht an der neuen Forschung beteiligt war, hat das ANITA-Experiment entworfen und weitere Forschungen durchgeführt, um mehr über die anomalen Signale zu erfahren.
Während das Auger-Observatorium für die Messung von nach unten gerichteten Teilchenschauern konzipiert wurde, die in der Atmosphäre durch ultrahochenergetische kosmische Strahlung entstehen, hat das Team seine Datenanalyse umgestaltet, um nach nach oben gerichteten Luftschauern zu suchen, so Vandenbroucke. Vandenbroucke war nicht an der neuen Studie beteiligt, hat sie jedoch vor der Veröffentlichung begutachtet.
„Auger verfügt über eine enorme Sammelfläche für solche Ereignisse, die größer ist als die von ANITA“, sagte er. „Wenn die anomalen Ereignisse von ANITA durch Teilchen verursacht werden, die durch die Erde wandern und dann nach oben gerichtete Schauer erzeugen, dann hätte Auger viele davon entdecken müssen, was jedoch nicht der Fall war.“
Eine separate Folgestudie unter Verwendung des IceCube-Experiments, bei dem Sensoren tief im antarktischen Eis eingebettet sind, suchte ebenfalls nach den anomalen Signalen.
„Da IceCube sehr empfindlich ist, hätten wir die anomalen Ereignisse von ANITA als Neutrinos entdeckt, wenn es sich dabei um solche gehandelt hätte“, schrieb Vandenbroucke, der zwischen 2019 und 2022 als Co-Leiter der IceCube Neutrino Sources-Arbeitsgruppe tätig war.
„Es ist ein interessantes Problem, weil wir immer noch keine Erklärung für diese Anomalien haben, aber wir wissen, dass es sich höchstwahrscheinlich nicht um Neutrinos handelt“, sagte Wissel.
Seltsamerweise ist eine andere Art von Neutrino, das sogenannte Tau-Neutrino, eine Hypothese, die einige Wissenschaftler als Ursache für die anomalen Signale aufgestellt haben.
Tau-Neutrinos können sich regenerieren. Wenn sie bei hohen Energien zerfallen, produzieren sie ein weiteres Tau-Neutrino sowie ein Teilchen namens Tau-Lepton – ähnlich einem Elektron, aber viel schwerer.
Was das Tau-Neutrino-Szenario jedoch sehr unwahrscheinlich macht, ist die Steilheit des Winkels, der mit dem Signal verbunden ist, so Wissel.
„Man würde erwarten, dass alle diese Tau-Neutrinos sehr, sehr nah am Horizont sind, vielleicht ein bis fünf Grad unterhalb des Horizonts“, sagte Wissel. „Diese befinden sich jedoch 30 Grad unterhalb des Horizonts. Das ist einfach zu viel Material. Sie würden tatsächlich ziemlich viel Energie verlieren und wären nicht mehr nachweisbar.“
Die Zukunft der Detektion
Letztendlich haben Gorham und die anderen Wissenschaftler keine Ahnung, woher die anomalen ANITA-Ereignisse stammen. Bislang gibt es keine Interpretationen, die mit den Signalen übereinstimmen, was die Wissenschaftler immer wieder dazu veranlasst, sich erneut mit diesem Rätsel zu beschäftigen. Die Antwort könnte jedoch in Sicht sein.
Wissel arbeitet auch an einem neuen Detektor, dem Payload for Ultra-High Energy Observations (PUEO), der ab Dezember einen Monat lang über der Antarktis fliegen wird. PUEO ist größer und zehnmal empfindlicher als ANITA und könnte laut Wissel mehr Informationen über die Ursache der von ANITA erfassten anomalen Signale liefern.
„Im Moment ist es eines dieser langjährigen Rätsel“, sagte Wissel.
„Ich bin gespannt, dass wir mit PUEO eine bessere Empfindlichkeit erreichen werden. Im Prinzip sollten wir dann in der Lage sein, diese Anomalien besser zu verstehen, was uns einen großen Schritt weiterbringen wird, um unsere Hintergründe zu verstehen und letztendlich Neutrinos in Zukunft nachweisen zu können.“
Gorham sagte, dass PUEO, ein Akronym, das sich auf die hawaiianische Eule bezieht, die Empfindlichkeit haben sollte, um viele anomale Signale zu erfassen und Wissenschaftlern dabei zu helfen, eine Antwort zu finden.
„Manchmal muss man einfach zurück an den Start und wirklich herausfinden, was diese Dinge sind“, sagte Wissel. „Das wahrscheinlichste Szenario ist, dass es sich um ganz banale physikalische Phänomene handelt, die sich erklären lassen, aber wir klopfen sozusagen an alle Türen, um herauszufinden, um welche es sich handelt.“
