17.06.2025
Unerklärliche Radiosignale aus antarktischem Eis
A cosmic particle detector in Antarctica has detected radio signals that defy current particle physics theories.
The radio pulses were found by scientists operating the Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) experiment which was launched between 2006 and 2016. ANITA includes a range of instruments which are flown on balloons about 37km above the frozen continent.
Ein kosmischer Teilchendetektor in der Antarktis hat Radiosignale registriert, die den gängigen Theorien der Teilchenphysik widersprechen.
Die Radioimpulse wurden von Wissenschaftlern des Experiments Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) entdeckt, das zwischen 2006 und 2016 durchgeführt wurde. ANITA umfasst eine Reihe von Instrumenten, die auf Ballons etwa 37 km über dem gefrorenen Kontinent schweben.
The Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) experiment. Credit: Stephanie Wissel / Penn State.
ANITA was designed to detect radio waves from cosmic rays. The experiment observes the Antarctic ice sheet out to a horizon about 700km away – more than 1 million cubic kilometres of ice. It, like other cosmic particle detectors, was set up in Antarctica to reduce the chance of interference from other signals.
Rather than direct detection of high-energy particles like neutrinos, ANTIA detects the radio waves that result from high-energy particles hitting the ice. The process is known as Askaryan emission.
But new results published in Physical Review Letters don’t make sense according to current theories.
The radio signals appeared to be coming from below the horizon rather than being reflected off the ice. These radio pulses could hint at previously unknown types of particles or interactions.
“The radio waves that we detected were at really steep angles, like 30 degrees below the surface of the ice,” says co-author Stephanie Wissel, an associate professor at Pennsylvania State University in the US.
Calculations show that the signal would have to have passed through and interact with thousands of kilometres of rock before reaching the detector which should have rendered the signal undetectable.
“It’s an interesting problem because we still don’t actually have an explanation for what those anomalies are, but what we do know is that they’re most likely not representing neutrinos,” Wissel says.
“You have a billion neutrinos passing through your thumbnail at any moment, but neutrinos don’t really interact,” she adds. “So, this is the double-edged sword problem. If we detect them, it means they have traveled all this way without interacting with anything else. We could be detecting a neutrino coming from the edge of the observable universe.”
Neutrinos which can interact with ice are called tau neutrinos. When they do interact with ice, they produce a particle called a tau lepton which loses energy as it travels over space and breaks down. This produces radio emissions known as air showers.
But the new signal did not act in this or any other way that matches the mathematical models of how particles interact with the Antarctic ice below ANITA. Some have even suggested the signals could hint at dark matter, but this is unlikely as there were no correlating signals at IceCube and Auger detectors also stationed in Antarctica.
ANITA wurde entwickelt, um Radiowellen kosmischer Strahlung zu detektieren. Das Experiment beobachtet die antarktische Eisdecke bis zu einem etwa 700 km entfernten Horizont – mehr als 1 Million Kubikkilometer Eis. Wie andere kosmische Teilchendetektoren wurde es in der Antarktis aufgestellt, um das Risiko von Störungen durch andere Signale zu reduzieren.
Anstatt hochenergetische Teilchen wie Neutrinos direkt zu detektieren, detektiert ANTIA die Radiowellen, die entstehen, wenn hochenergetische Teilchen auf das Eis treffen. Dieser Prozess wird als Askaryan-Emission bezeichnet.
Neue Ergebnisse, die in Physical Review Letters veröffentlicht wurden, ergeben jedoch nach aktuellen Theorien keinen Sinn.
Die Radiosignale schienen von unterhalb des Horizonts zu kommen, anstatt vom Eis reflektiert zu werden. Diese Radioimpulse könnten auf bisher unbekannte Teilchenarten oder Wechselwirkungen hinweisen.
„Die von uns detektierten Radiowellen traten in sehr steilen Winkeln auf, etwa 30 Grad unter der Eisoberfläche“, sagt Co-Autorin Stephanie Wissel, außerordentliche Professorin an der Pennsylvania State University in den USA. Berechnungen zeigen, dass das Signal Tausende von Kilometern Gestein durchquert und mit ihm interagiert haben muss, bevor es den Detektor erreicht. Dadurch wäre das Signal eigentlich nicht mehr nachweisbar gewesen.
„Das ist ein interessantes Problem, denn wir haben noch keine Erklärung für diese Anomalien, aber wir wissen, dass es sich höchstwahrscheinlich nicht um Neutrinos handelt“, sagt Wissel.
„Eine Milliarde Neutrinos fliegen jederzeit durch Ihren Daumennagel, aber Neutrinos interagieren nicht wirklich“, fügt sie hinzu. „Das ist also ein zweischneidiges Schwert. Wenn wir sie entdecken, bedeutet das, dass sie den ganzen Weg zurückgelegt haben, ohne mit irgendetwas anderem zu interagieren. Wir könnten ein Neutrino vom Rand des beobachtbaren Universums entdecken.“
Neutrinos, die mit Eis interagieren können, werden Tau-Neutrinos genannt. Wenn sie mit Eis interagieren, erzeugen sie ein Teilchen, ein sogenanntes Tau-Lepton, das auf seiner Reise durch den Weltraum Energie verliert und zerfällt. Dadurch entstehen Radioemissionen, die als Luftschauer bezeichnet werden. Das neue Signal reagierte jedoch weder auf diese noch auf eine andere Weise, die den mathematischen Modellen zur Wechselwirkung von Partikeln mit dem antarktischen Eis unter ANITA entspricht. Einige vermuteten sogar, die Signale könnten auf Dunkle Materie hindeuten, doch dies ist unwahrscheinlich, da es bei den ebenfalls in der Antarktis stationierten IceCube- und Auger-Detektoren keine entsprechenden Signale gab.
ANITA was placed in Antarctica because there is little chance of interference from other signals. Credit: Stephanie Wissel / Penn State.
“My guess is that some interesting radio propagation effect occurs near ice and also near the horizon that I don’t fully understand, but we certainly explored several of those, and we haven’t been able to find any of those yet either,” Wissel said.
Wissel is hopeful that a new airborne detector called PUEO (Payload for Ultrahigh Energy Observations) will be sensitive and powerful enough to help physicists determine the origin of the strange signal. PUEO was originally set for launch in December 2024, but is now due to launch this year or in 2026.
“In principle, we should pick up more anomalies, and maybe we’ll actually understand what they are. We also might detect neutrinos, which would in some ways be a lot more exciting.”
Quelle: COSMOS
„Ich vermute, dass in der Nähe von Eis und auch in Horizontnähe ein interessanter Radioausbreitungseffekt auftritt, den ich noch nicht vollständig verstehe. Wir haben zwar mehrere davon untersucht, konnten aber bisher auch keinen davon finden“, sagte Wissel.
Wissel hofft, dass ein neuer flugzeuggetragener Detektor namens PUEO (Payload for Ultrahigh Energy Observations) empfindlich und leistungsstark genug sein wird, um Physikern bei der Bestimmung des Ursprungs des seltsamen Signals zu helfen. PUEO sollte ursprünglich im Dezember 2024 starten, soll nun aber noch dieses Jahr oder 2026 starten.
„Grundsätzlich sollten wir weitere Anomalien erfassen und vielleicht sogar verstehen, was sie sind. Vielleicht entdecken wir auch Neutrinos, was in mancher Hinsicht noch spannender wäre.“
Quelle: COSMOS