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Detector enterrado perto do Polo Sul registrou 13 sinais de rádio no gelo antártico durante uma campanha de 208 dias em 2019, confirmando uma previsão feita em 1962 e reforçando a busca por neutrinos cósmicos de ultra-alta energia
Um detector enterrado no gelo antártico registrou a primeira evidência experimental de pulsos de rádio gerados quando raios cósmicos de alta energia atingem a camada congelada e produzem cascatas de partículas em seu interior. A descoberta foi apresentada em resultados publicados na revista Physical Review Letters por astrônomos da Colaboração Askaryan Radio Array, a partir de 13 sinais anômalos observados durante 208 dias de campanha em 2019.
Os registros validam uma técnica considerada fundamental para a busca de algumas das partículas mais raras e energéticas do universo. A mesma assinatura física pode ajudar, em etapas futuras, na detecção de neutrinos cósmicos de ultra-alta energia, objetivo central do detector instalado perto do Polo Sul.
Sinais no gelo antártico confirmam previsão antiga
A base do fenômeno foi prevista em 1962 pelo físico soviético Gurgen Askaryan. Ele propôs que partículas de alta energia, ao atravessarem um material denso, poderiam gerar uma emissão característica de ondas de rádio.
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Quando uma partícula desse tipo atinge um átomo, ocorre uma cascata de partículas secundárias. Esse processo captura elétrons do material ao redor e forma uma frente de radiação com carga negativa, capaz de emitir ondas de rádio.
A chamada radiação Askaryana já havia sido confirmada em experimentos de laboratório e detectada no ar. No gelo, porém, a observação se mostrou muito mais difícil, principalmente pela necessidade de separar sinais reais de fontes de ruído em ambientes polares.
Detector foi instalado perto do Polo Sul
A Rede de Rádio Askaryan, conhecida pela sigla ARA, foi construída justamente para enfrentar esse desafio. O sistema fica perto do Polo Sul e reúne cinco estações distribuídas por uma área de aproximadamente 2 quilômetros de largura.
Cada estação possui antenas de rádio enterradas entre 150 e 200 metros de profundidade em canais perfurados no gelo. Essa configuração permite captar sinais impulsivos vindos de baixo da superfície congelada.
Durante a campanha de observação de 208 dias em 2019, a equipe registrou 13 eventos anômalos. Eles eram sinais de rádio impulsivos, com origem inicialmente incerta, vindos de regiões abaixo da superfície do gelo antártico.
Análise descartou ruído de fundo
Com ferramentas de simulação recentemente disponibilizadas, os pesquisadores analisaram se os eventos correspondiam à radiação Askaryana ou se poderiam ter sido causados por interferências externas. Entre as possíveis fontes avaliadas estavam radares de aeronaves e comunicações de rádio da Estação Amundsen-Scott, localizada nas proximidades.
A análise considerou as direções de chegada dos sinais, o conteúdo de frequência, o formato das ondas e a orientação dos campos elétricos. Esses elementos coincidiam com as previsões para a radiação Askaryana produzida por raios cósmicos atingindo o gelo.
A probabilidade de que todos os 13 eventos fossem explicados apenas por ruído de fundo foi estimada em menos de uma em 3,5 milhões. O resultado alcançou significância estatística de 5,1 sigma, acima do limiar convencionalmente usado para declarar uma descoberta.
Descoberta fortalece busca por neutrinos
A equipe concluiu que os sinais foram gerados pelos núcleos densos de chuvas de raios cósmicos quase verticais. Esses núcleos penetraram os poucos metros superiores do gelo e produziram cascatas de partículas que se propagaram para baixo.
A descoberta tem impacto direto na missão principal do ARA, que é procurar neutrinos cósmicos de ultra-alta energia. Como os sinais induzidos por neutrinos no gelo são quase idênticos aos produzidos por raios cósmicos, o resultado mostra que o detector está funcionando conforme o esperado.
A diferença entre os dois tipos de evento está principalmente na geometria. Raios cósmicos atingem apenas a camada superficial do gelo, enquanto neutrinos podem penetrar profundamente e gerar sinais a partir de ângulos mais acentuados.
A equipe da ARA prevê uma nova divulgação de dados em breve, reunindo observações de todas as cinco estações ao longo de vários anos. Com esse conjunto ampliado, os pesquisadores antecipam até sete eventos candidatos a neutrinos, mantendo o gelo antártico no centro da busca por partículas extremas do universo.
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