Um grupo de pesquisadores do Askaryan Radio Array (ARA) identificou 13 sinais de rádio a uma profundidade de 200 metros no gelo da Antártida, relacionados a raios cósmicos de alta energia, e não a neutrinos. Esta descoberta foi realizada com uma das cinco estações que compõem o experimento e ocorreu ao longo de 208 dias de coleta em 2019, com os resultados publicados na revista Physical Review Letters.
Descobertas significativas
A equipe do ARA conseguiu isolar 13 eventos de ondas de rádio que, conforme os autores do estudo, resultam de raios cósmicos com energia extremamente alta. Para isso, foram utilizadas novas técnicas de simulação que permitiram distinguir os sinais relevantes do ruído de fundo, alcançando um nível de confiança de 5,1 sigma — um padrão reconhecido na física para a validação de descobertas.
Fundamentação teórica: o efeito Askaryan
O fenômeno observado se alinha ao efeito previsto por Gurgen Askaryan em 1962. Quando partículas energéticas colidem com um meio denso como gelo ou rocha, elas geram uma cascata de partículas secundárias que resulta em um excesso de elétrons, gerando assim um pulso de radiação em radiofrequência. Embora esse efeito já tivesse sido registrado em aceleradores de partículas nos anos 2000 e em chuvas atmosféricas, faltava uma confirmação direta em ambientes gelados.
Importância da descoberta
A identificação desses sinais reforça a ideia de que as ondas de rádio no gelo podem ser originadas por cascatas geradas por partículas, validando essa técnica para investigações futuras. Diferentemente da radiação Cherenkov — tradicionalmente utilizada para detectar neutrinos e que produz lampejos azuis quando partículas viajam mais rápido que a luz no meio, onde a velocidade da luz é aproximadamente 225 mil km/s — as ondas de rádio apresentam baixa atenuação ao atravessar longas distâncias no gelo. Isso possibilita a exploração de volumes muito maiores com menos equipamento, o que pode facilitar a detecção de neutrinos com energias extremamente altas que seriam difíceis de capturar por detectores Cherenkov convencionais, exigindo volumes na casa dos centenas de quilômetros cúbicos.
Diferenciação entre raios cósmicos e neutrinos
Embora os pulsos de rádio gerados por raios cósmicos sejam análogos aos produzidos por neutrinos, há uma diferença crucial: raios cósmicos como prótons ou núcleos atômicos interagem nas camadas superficiais do gelo e não penetram profundamente, ao passo que os neutrinos têm a capacidade de atravessar grandes profundidades antes de causarem qualquer interação. Philipp Windischhofer, da Universidade de Chicago e integrante da equipe do ARA, mencionou que havia a especulação sobre alguns eventos detectados serem provenientes da colisão dos raios cósmicos na camada superior do gelo. As novas simulações possibilitaram distinguir esses sinais do ruído e confirmar que os 13 eventos estudados são oriundos realmente dos raios cósmicos.
Imagem: Divulgação
Com a validação do efeito Askaryan no gelo antártico, os cientistas agora visam realizar observações em profundidades maiores, onde é menos provável encontrar sinais originados pelos raios cósmicos, na busca por neutrinos com energias ainda mais elevadas. Se essa nova abordagem for bem-sucedida, poderá resultar na primeira detecção direta de neutrinos através das ondas de rádio e abrirá novas possibilidades para investigar fontes extremas do universo, como núcleos ativos galácticos e explosões gama. O ambiente gelado da Antártida continua sendo um laboratório natural altamente valioso para esse tipo de pesquisa.
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