Sinais de rádio captados a 200 metros sob a camada de gelo antártica

Cientistas do Askaryan Radio Array (ARA) capturaram 13 sinais de rádio a uma profundidade de 200 metros no gelo da Antártida, que foram identificados como provenientes de raios cósmicos com alta energia, e não de neutrinos. Esta descoberta ocorreu através de uma das cinco estações enterradas do projeto, durante um período de coleta que se estendeu por 208 dias em 2019, e os resultados foram divulgados na revista Physical Review Letters.

Descobertas realizadas

O ARA conseguiu identificar 13 eventos de ondas de rádio que, conforme os pesquisadores afirmam, têm como fonte raios cósmicos de altíssima energia. Para isso, foi utilizada uma nova abordagem em simulações que permitiu distinguir os sinais relevantes do ruído ambiental, resultando em um nível de confiança de 5,1 sigma — critério padrão em física para validação de descobertas.

Fundamentos teóricos: efeito Askaryan

A ocorrência observada se relaciona ao efeito previsto por Gurgen Askaryan em 1962. Esse fenômeno ocorre quando uma partícula com alta energia colide com um material denso, como gelo ou rocha, provocando uma cascata de partículas secundárias que gera um excedente de elétrons e, consequentemente, um pulso de radiação em radiofrequência. Embora este efeito já tenha sido registrado em aceleradores de partículas na década de 2000 e durante chuvas atmosféricas, não havia confirmação direta dessa dinâmica no gelo até agora.

A relevância da descoberta

A identificação desses sinais confirma que ondas de rádio originadas no gelo podem ser geradas por cascatas de partículas, o que valida essa metodologia para futuras investigações. Diferentemente da radiação Cherenkov — tradicionalmente utilizada para detectar neutrinos e que resulta em lampejos azuis quando partículas superam a velocidade da luz em meios onde ela é cerca de 225 mil km/s — as ondas de rádio passam por menor atenuação ao longo das extensas distâncias no gelo. Isso possibilita a exploração de volumes muito maiores com menos equipamentos e pode facilitar a detecção de neutrinos com energias extremamente altas que seriam desafiadoras para detectores Cherenkov convencionais, os quais exigiriam dimensões na ordem dos centenas de quilômetros cúbicos.

Diferenciação entre raios cósmicos e neutrinos

Embora o pulso gerado por raios cósmicos seja semelhante ao produzido por neutrinos, existe uma diferença crucial: raios cósmicos como prótons ou núcleos atômicos interagem nas camadas superiores do gelo e não penetram profundamente nele, enquanto neutrinos têm a capacidade de atravessar grandes espessuras antes da interação. Philipp Windischhofer, da Universidade de Chicago e integrante da equipe responsável pelo estudo, mencionou que havia a possibilidade de alguns dos eventos detectados serem causados por raios cósmicos atingindo a camada superior do gelo. As recentes simulações possibilitaram diferenciar esses sinais do ruído ambiental e corroborar que os 13 eventos analisados têm origem nos raios cósmicos.

Com a validação do efeito Askaryan no gelo antártico, os cientistas visam realizar observações em profundidades maiores onde a presença de sinais oriundos de raios cósmicos é improvável durante a busca por neutrinos com energias ainda mais elevadas. Se essa estratégia se mostrar eficaz, poderá resultar na primeira detecção efetiva de neutrinos via ondas de rádio, abrindo assim novas possibilidades para investigar fontes extremas do universo, como núcleos ativos de galáxias e explosões gamma. O ambiente gelado da Antártida continua sendo um laboratório natural valioso para esse tipo de pesquisa.

Com informações adicionais disponíveis.

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