Los dos misteriosos rayos cósmicos observados por ANITA

El detector de rayos cósmicos ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna) de la NASA ha observado dos misteriosos rayos cósmicos de ultraaltaenergía (UHECR) de 600 ± 400 PeV (ANITA I) y 560 ± 300 PeV (ANITA III). Estas dos señales son anómalas porque su polarización está invertida, lo que sugiere que su origen es un neutrino tau que interacciona con un nucleón de la atmósfera bajo el globo sonda que carga ANITA. Sin embargo, sus características indican una gran distancia propagada lo que apunta a que su origen está en el interior de la Tierra. En dicho caso se descarta que su origen sea un neutrino tau, incluso una partícula del modelo estándar. Por ello, en algunos medios, se habla de nueva física más allá del modelo estándar.

No tan rápido vaquero, nos advierten desde la colaboración ANITA. La polarización invertida puede tener un origen más prosaico. Se han realizado cuatro misiones de ANITA, aunque los datos de la última (ANITA IV) aún no han sido publicados. Se han acumulado unos 100 millones de señales, de las que 43 son UHECR (ANITA I-III) y solo 2 de las 43 son anómalas. Todavía no se tiene un control preciso de los posibles errores sistemáticos en el detector. Una combinación de una señal de un rayo cósmico reflejada en el hielo de la Antártida con algún fenómeno espurio en la instrumentación del detector podría explicar la señal anómala sin necesidad de recurrir a física más allá del modelo estándar.

La falta de indicios de nueva física hace que muchos físicos teóricos se agarren a un clavo ardiendo. Se han escrito decenas de artículos sobre partículas supersimétricas (staus), neutrinos estériles, partículas de materia oscura y otros exotismos para explicar la dos misteriosas señales de ANITA. El gran problema es que IceCube y otros detectores de neutrinos no han detectado señales asociadas a las nuevas propuestas. Por ello hay que hilar muy fino para explicar a ANITA sin generar señal en IceCube. Aún así debemos ser muy cautos con estas dos misteriosas señales de ANITA. Lo más razonable ahora mismo es que acaben siendo señales espurias en los detectores.

Las misteriosas señales se publicaron en P. W. Gorham et al. (ANITA Collaboration), “Characteristics of Four Upward-pointing Cosmic-ray-like Events Observed with ANITA,” Phys. Rev. Lett. 117: 071101 (2016), doi: 10.1103/PhysRevLett.117.071101, arXiv:1603.05218 [astro-ph.HE]; “Observation of an Unusual Upward-going Cosmic-ray-like Event in the Third Flight of ANITA,” Phys. Rev. Lett. (accepted), arXiv:1803.05088 [astro-ph.HE]; “Constraints on the diffuse high-energy neutrino flux from the third flight of ANITA,” Phys. Rev. D 98: 022001 (2018), doi: 10.1103/PhysRevD.98.022001, arXiv:1803.02719 [astro-ph.HE]. Recomiendo las charlas de Cosmin Deaconu (ANITA Collaboration), “ANITA: Current Status and Future Plans,” ARENA 2016 [PDF slides], y “Results from ANITA,” CIPANP 2018 [PDF slides]; y Linda Cremonesi, “Hunting UHE neutrinos with ANITA,” Rencontres de Blois 2018 [PDF slides].

Sobre la posible física más allá del modelo estándar para explicar estas señales anómalas, recomiendo Derek B. Fox, Steinn Sigurdsson, …, Stephane Coutu, “The ANITA Anomalous Events as Signatures of a Beyond Standard Model Particle, and Supporting Observations from IceCube,” arXiv:1809.09615 [astro-ph.HE]; Emilian Dudas, Tony Gherghetta, …, Keith A. Olive, “Gravitino Decay in High Scale Supersymmetry with R-parity Violation,” Phys. Rev. D 98: 015030 (2018), doi: 10.1103/PhysRevD.98.015030, arXiv:1805.07342 [hep-ph]; John F. Cherry, Ian Shoemaker, “A Sterile Neutrino Origin for the Upward Directed Cosmic Ray Showers Detected by ANITA,” arXiv:1802.01611 [hep-ph]; Luis A. Anchordoqui, Vernon Barger, …, Thomas J. Weiler, “Upgoing ANITA events as evidence of the CPT symmetric universe,” Letters in HEP 1: 13 (2018), doi: 10.31526/LHEP.1.2018.03, arXiv:1803.11554 [hep-ph]; entre muchos otros.

Los detectores de ANITA se portan mediante globos sondas que parten desde el Polo Sur, sobrevuelan la Antártida durante entre 20-35 días y alcanzan una altura máxima entre 35-40 km sobre la superficie. Mediante telemetría (GPS, sensores solares, etc.) se determina su posición y orientación exacta, ya que se mueven en función de los vientos locales sobre la Antártida. La misión de prueba fue ANITA-lite (2 antenas, 18 días, 2003-2004) y las misiones de toma de datos fueron ANITA-I (32 antenas, 35 días, 2006-2007), ANITA-II (40 antenas, 30 días, 2008-2009), ANITA-III (48 antenas, 22 días, 2014-2015), y ANITA-IV (48 antenas, 29 días, 2016-2017).

Las dos señales anómalas parecen haber recorrido entre 5500 y 7000 km por el interior de la Tierra. No se pueden interpretar como producto de la interacción de un neutrino tau UHECR con un nucleón. Para energías del orden de 1 EeV (1000 PeV) el modelo estándar solo permite detectar señales en ANITA que hayan recorrido una distancia inferior a 1600 km por el interior de la Tierra. Por ello se ha propuesto que, si se confirma que el origen está en el interior de la Tierra, la única explicación posible es física más allá del modelo estándar (quizás una partícula supersimétrica, como un bosón stau, asociado al leptón tau). Discutir en detalle cada de las propuestas nos llevaría demasiado lejos. Quizás en otra ocasión.

En resumen, sé que muchos ansían noticias sobre anomalías que apunten a física más allá del modelo estándar. En mi opinión hay que esperar a la publicación de los datos de ANITA-IV (quizás haya más anomalías en sus datos), e incluso al futuro ANITA-V, que usará una nueva tecnología para sus detectores. Solo entonces podremos descartar que el origen de estas dos señales espurias sea instrumental. Mientras tanto solo podemos soñar, que es gratis.

3 comentarios

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Paco Paco

“Discutir en detalle cada de las propuestas nos llevaría demasiado lejos. Quizás en otra ocasión.”

🙁

Yo es para lo que he venido al blog, para llegar lejos.

Gran artículo.

Jorge Torres Jorge Torres

Hola Francis,

Solo una clarificación: el experimento ANITA está originalmente diseñado para detectar neutrinos de ultra-altas energías (mayor a 10E17 eV), no es un detector de rayos cósmicos. Por la naturaleza de los detectores (antenas), también se pueden detectar otros eventos, tal como rayos cósmicos.

Aquí hay otro artículo que podría ser de interés (Amy Connolly, mi asesora, es parte del experimento): https://arxiv.org/abs/1807.08892

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