El misterio de ANITA vuelve a ser noticia

Por Francisco R. Villatoro, el 28 enero, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • Materia oscura • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 5

En 2018 fueron noticia dos misteriosos rayos cósmicos observados por ANITA (LCMF, 12 oct 2018). Con energías de 600 ± 400 PeV (ANITA-I) y 560 ± 300 PeV (ANITA-III), su origen más probable eran neutrinos tau que chocaron con nucleones de la atmósfera bajo el globo sonda que carga ANITA. Pero la anómala polarización invertida de estas dos señales sugiere que han recorrido 5740 ± 60 km y 7210 ± 55 km, resp. El modelo estándar solo explica estas señales si recorren una distancia menor de 1600 km. ¿Cómo es posible? ¿Ocultan nueva física más allá del modelo estándar? Muchos lo desean con fruición, pero seamos cautos. No se puede descartar un error sistemático en el análisis de las medidas.

Vuelve a los tabloides ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna) porque la colaboración IceCube ha estudiado, sin éxito, el origen de estas señales. Su nuevo análisis apunta a que las observaciones de ANITA son incompatibles con rayos cósmicos de origen astrofísico; si lo fueran, se habrían observado señales similares en IceCube. La señal AAE-061228 (ANITA-I) y, sobre todo, la señal AAE-141220 (ANITA-III) están unos cuatro órdenes de magnitud por encima de los límites de exclusión de IceCube. La tensión entre ambos detectores de neutrinos es tan grande que los medios no se han podido resistir a asociar nueva física a estas anomalías. En su caso, hay muchos modelos teóricos para su origen en la desintegración de una nueva partícula; se han propuesto partículas supersimétricas (stau), neutrinos estériles, materia oscura tipo WIMP e, incluso, axiones. Salvo en este último caso, IceCube podrá descartar dichas partículas en un futuro análisis específico; también, lo podría hacer MoEDAL. Habrá que estar al tanto.

¿Por qué todo apunta a error sistemático en el análisis de ANITA? Siento ser un aguafiestas, pero ANITA-IV, con un detector mejorado y un segundo instrumento, HiCal-2 (High-Altitude Calibration), no observó ninguna señal anómala. Todo misterio que no se replica apunta a sesgo sistemático en el análisis. De hecho se han publicado varias explicaciones sin nueva física; tanto ciertas corrientes geomagnéticas como la reflexión en el hielo subsuperficial de la Antártica podrían explicar la polarización invertida observada. Como es obvio, hasta que no se observen nuevas señales anómalas (quizás en un futuro ANITA-V), no se podrá resolver el misterio. Mientras tanto, la hipótesis más parsimoniosa para un escéptico es un sesgo en el análisis de las señales.

El nuevo artículo es IceCube Collaboration, «A search for IceCube events in the direction of ANITA neutrino candidates,» arXiv:2001.01737 [astro-ph.HE] (06 Jan 2020); también recomiendo D. Felea, J. Mamuzic, …, O. Vives, «Prospects for discovering supersymmetric long-lived particles with MoEDAL,» arXiv:2001.05980 [hep-ph] (16 Jan 2020). La ausencia de señales anómalas en ANITA-IV se publicó en P. W. Gorham, P. Allison, …, S. A. Wissel, «Constraints on the ultra-high energy cosmic neutrino flux from the fourth flight of ANITA,» Phys. Rev. D 99: 122001 (2019), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.99.122001arXiv:1902.04005 [astro-ph.HE] (11 Feb 2019).

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.117.071101arXiv: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.98.022001arXiv:1803.02719 [astro-ph.HE].

Las explicaciones sin nueva física de las señales anómalas de ANITA mencionadas más arriba son Krijn D. de Vries, Steven Prohira, «Coherent transition radiation from the geomagnetically-induced current in cosmic-ray air showers: Implications for the anomalous events observed by ANITA,» Phys. Rev. Lett. 123: 091102 (2019), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.091102arXiv:1903.08750 [astro-ph.HE] (20 Mar 2019), y Ian M. Shoemaker, Alexander Kusenko, …, Martin J. Siegert, «Reflections On the Anomalous ANITA Events: The Antarctic Subsurface as a Possible Explanation,» arXiv:1905.02846 [astro-ph.HE] (07 May 2019). También recomiendo L. A. Anchordoqui, I. Antoniadis, …, T. J. Weiler, «The pros and cons of beyond standard model interpretations of ANITA events,» arXiv:1907.06308 [hep-ph] (15 Jul 2019).

ANITA es un experimento de unos ∼8 metros de altura que se eleva a una altura de unos 40 km sobre la Antártida mediante un globo aerostático. Su objetivo es observar la radiación de Askaryan (señales de radio en la banda entre 200 y 1200 MHz) producida por la interacción con el hielo de neutrinos y rayos cósmicos de ultraalta energía. Los dos primeros vuelos de ANITA fueron en 2006-2007 y 2008-2009; ANITA-III se lanzó el 18 de diciembre de 2014 y finalizó el 9 de enero de 2015; y ANITA-IV el 2 de diciembre de 2016 y finalizó el 29 de diciembre de 2016. Las señales anómalas se observaron en ANITA-I el 28 de diciembre de 2006 y en ANITA-III el 20 de diciembre de 2014. Por desgracia, ni ANITA-II, ni ANITA-IV observaron señales anómalas.

Como muestra esta figura la sensibilidad de IceCube es mucho mayor que la de ANITA para las señales anómalas observadas. Así resulta sorprendente que IceCube no haya detectado señales análogas a las observadas por ANITA. Te recuerdo que IceCube es un detector formado por un kilómetro cúbico de hielo bajo el Polo Sur (a una profundidad entre 1450 m y 2450 m). Observa la radiación de Cherenkov emitida por la interacción de los neutrinos con el hielo gacias a una red de 5160 fotomultiplicadores. Esta figura está extraída de L. Cremonesi, A. Connolly, …, S. A. Wissel, «The Simulation of the Sensitivity of the Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) to Askaryan Radiation from Cosmogenic Neutrinos Interacting in the Antarctic Ice,» Journal of Instrumentation 14: P08011 (2019), doi: https://doi.org/10.1088/1748-0221/14/08/P08011arXiv:1903.11043 [astro-ph.IM] (26 Mar 2019).

Las señales anómalas de ANITA pueden escapar de la detección por IceCube si su origen es una partícula con una masa enorme; en esta figura se presenta el caso de partículas WIMP candidatos a materia oscura. Si este fuera su origen, su masa sería tan enorme (billones de GeV) que sería imposible su producción en colisionadores y su detección en experimentos de búsqueda directa de la materia oscura. Solo serían observables mediante su detección indirecta mediante neutrinos o fotones de de ultraalta energía. Esta figura está extraída de Carlos A. Argüelles, Alejandro Diaz, …, Aaron C. Vincent, «Dark Matter Annihilation to Neutrinos: An Updated, Consistent & Compelling Compendium of Constraints,» arXiv:1912.09486 [hep-ph] (19 Dec 2019).

Como decía Carl Sagan, «las afirmaciones extraordinarias requieren evidencias extraordinarias». Mientras no se observen más señales anómalas, no será posible resolver el misterio de ANITA. Mientras tanto, proclamar a los cuatro vientos que se trata de señales de nueva física es engañar a gran parte del público general. Seamos cautos con lo que divulgamos al respecto.



5 Comentarios

  1. «Mientras tanto, la hipótesis menos parsimoniosa para un escéptico es un sesgo en el análisis de las señales.»
    ¿No será la más parsimoniosa?

  2. Y ahora mi pregunta sería: ¿Cuáles son los experimentos dedicados a los fotones de ultra alta energía? Una buena salida sería construir esos instrumentos para descartar la hipótesis fantasiosa -pero posible

    1. Francisco M.

      Hay decenas de experimentos que estudian rayos cósmicos, rayos gamma y otras ventanas de relevancia astrofísica (AMS, CALET, H.E.S.S., MAGIC, INTEGRAL, HAWC, ANTARES DAMPE, ISS-CREAM, Fermi LAT etc.).

      El asunto aquí es descubrir si hay errores sistemáticos en las medidas de ANITA o en caso de no haberlos, explicar la tensión con el análisis de IceCube. Es difícil replicar la clase de medidas que se pueden hacer con ANITA y IceCube por detección directa de rayos cósmicos o rayos gamma y zanjar (o aportar datos relevantes) para el problema, son categorías de experimentos con propósitos diferentes. Hay otra clase de experimentos que podrían aportar datos relevantes (en caso de que la tensión requiriese más investigación); véase http://www.physics.adelaide.edu.au/astrophysics/lunaska/index.html , https://web.archive.org/web/20100708190312/http://resun.physics.uiowa.edu/ por citar ejemplos.

      En cualquier caso, si IceCube detectase señales parecidas a los eventos de ANITA ya existen experimentos que pueden obtener datos que pueden combinarse con IceCube para contrastar o refutar el origen astrofísico de los eventos https://es.wikipedia.org/wiki/Telescopio_MAGIC

      Saludos

  3. Off-topic:

    Me tomo el atrevimiento de recomendar un video para los lectores curiosos de la astrofísica de neutrinos: https://www.youtube.com/watch?v=O8d2IE2t4c0 . Este se compone de varias charlas divulgativas; la primera es un panorama de la astrofísica de neutrinos y la segunda aborda física apasionante, blazáres como fuentes de neutrinos de alta energía (tema que ha aparecido en este blog varias veces https://francis.naukas.com/?s=blazar).

    Saludos.

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