Detektor smješten duboko u antarktičkom ledu zabilježio je 13 kratkih radijskih signala koji odgovaraju pojavi predviđenoj još 1962. godine. Riječ je o prvom eksperimentalnom dokazu da kozmičke zrake, pri udaru u ledeni pokrov, mogu proizvesti upravo onu vrstu radijskog signala na kojoj se temelji potraga za najenergičnijim neutrinima u svemiru.
Na Južnom polu led nije samo smrznuti sloj koji prekriva kontinent. Za fizičare čestica on je iznimno vrijedan prirodni medij: golem, čist, hladan i dovoljno proziran za radijske signale koji nastaju u rijetkim sudarima čestica ekstremno visokih energija.
Upravo u takvom ledu radi Askaryan Radio Array, poznat kao ARA. Sustav se nalazi blizu Južnog pola i sastoji se od pet postaja s antenama spuštenima u bušotine duboke približno 150 do 200 metara. Njihov zadatak nije snimati svjetlost, nego osluškivati vrlo kratke radijske impulse koji mogu nastati kada visokoenergetske čestice prodru u ledeni pokrov.
Nova analiza podataka iz 2019. godine pokazuje da je ARA zabilježio 13 takvih događaja. Signali su bili kratki, snažni i dolazili su iz smjera ispod površine leda. U prvi mah nije bilo jasno jesu li povezani s česticama iz svemira ili s nečim mnogo prizemnijim, primjerice radarskim sustavima, komunikacijama obližnje istraživačke postaje ili slučajnim radijskim šumom.
Trag kozmičkih zraka, a ne polarni šum
Istraživači su zato morali usporediti signale s vrlo preciznim simulacijama. U obzir su uzeli smjer iz kojeg su impulsi stigli, oblik vala, frekvencijski sadržaj i polarizaciju električnog polja. Ta svojstva nisu izgledala kao slučajni šum. Poklapala su se s očekivanim potpisom radijske emisije koja nastaje kada kozmičke zrake udare u led.
Kozmičke zrake su čestice visokih energija koje stižu iz svemira. Kada uđu u Zemljinu atmosferu, stvaraju pljuskove sekundarnih čestica. U najenergičnijim događajima gusta jezgra takvog pljuska može doprijeti do površine Antarktike i prodrijeti u gornje slojeve leda. Ondje nastaje nova kaskada čestica, a upravo ta kaskada može proizvesti kratak radijski signal.
Takav proces povezan je s takozvanim Askaryanovim efektom. Sovjetsko-armenski fizičar Gurgen Askaryan predvidio je 1962. godine da bi kaskade čestica u gustom materijalu trebale stvoriti višak negativnog naboja. Taj višak zatim proizvodi koherentnu radijsku emisiju, signal koji antene mogu zabilježiti ako je detektor dovoljno osjetljiv.
U ovom slučaju statistika je snažna. Autori rada navode da je mogućnost da se svih 13 događaja objasni pozadinskim šumom manja od jedan prema 3,5 milijuna. Rezultat ima statističku značajnost od 5,1 sigma, što prelazi uobičajeni prag za tvrdnju da je zabilježeno stvarno otkriće.
Važan test za potragu za neutrinima
Iako su signali najvjerojatnije nastali od kozmičkih zraka, rezultat je posebno važan zbog neutrina. ARA je prije svega zamišljen kao instrument za potragu za kozmičkim neutrinima ultra visokih energija, jednim od najtežih ciljeva moderne astrofizike čestica.
Neutrini su iznimno slabo vezani s tvari. Kroz Zemlju, led i svemirska tijela mogu prolaziti gotovo neometano. Upravo zato ih je teško otkriti, ali su i znanstveno dragocjeni. Ako se uhvate neutrini ekstremno visokih energija, mogli bi nositi informacije o najnasilnijim procesima u svemiru, od aktivnih galaktičkih jezgri do drugih izvora koji ubrzavaju čestice do golemih energija.
Problem je u tome što su signali neutrina u ledu vrlo slični signalima koje mogu proizvesti kozmičke zrake. Zato ova detekcija ima ulogu provjere cijele metode. Ako ARA može prepoznati radijski signal koji nastaje u kaskadi čestica u ledu, tada pokazuje da je sposoban zabilježiti i signal koji se očekuje od neutrina.
Razlika između kozmičkih zraka i neutrina ne leži samo u obliku zabilježenog impulsa, nego i u geometriji događaja. Kozmičke zrake nakon prolaska kroz atmosferu mogu zahvatiti samo površinske slojeve antarktičkog leda, pa njihovi radijski signali nastaju u vrlo plitkom području. Neutrini, naprotiv, mogu prodrijeti mnogo dublje prije nego što u rijetkoj interakciji s ledom pokrenu kaskadu čestica. Upravo bi zato neutrinski signali trebali dolaziti iz većih dubina i pod drukčijim kutovima od signala koje stvaraju kozmičke zrake.
Sljedeći podaci mogli bi donijeti kandidate za kozmičke neutrine
Ovo otkriće ne znači da su kozmički neutrini ultra visokih energija već pronađeni. Njegova je važnost u nečemu drugom: ARA je u antarktičkom ledu zabilježio stvarni fizički proces na kojem se temelji potraga za njima.
Tim sada priprema širu objavu podataka, koja će obuhvatiti više godina mjerenja svih pet postaja sustava. Prema sadašnjim procjenama, u tim bi se podacima moglo naći do sedam mogućih neutrinskih događaja.
Ako se takvi kandidati potvrde, antarktički led mogao bi postati jedno od najvažnijih mjesta za proučavanje najenergičnijih čestica u svemiru. Trinaest signala iz 2019. godine zato nije konačan odgovor, nego prva jaka potvrda da metoda radi ondje gdje je najpotrebnija: duboko u ledu, daleko od klasičnih teleskopa, na mjestu gdje se ekstremni svemir ne istražuje svjetlošću, nego kratkim radijskim impulsima.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
