Enterrado a 200 metros sob o gelo da Antártida, um detector projetado para caçar neutrinos encontrou algo inesperado – e igualmente valioso. O Askaryan Radio Array (ARA) registrou 13 sinais de ondas de rádio que não vieram das evasivas “partículas fantasmas”, mas sim de raios cósmicos de alta energia. A descoberta, publicada na Physical Review Letters, confirma um efeito previsto pelo físico Gurgen Askaryan em 1962 e abre novas possibilidades para o estudo do universo extremo.
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Askaryan teorizou que, quando uma partícula de alta energia colide com um meio denso (como gelo ou rocha), ela gera uma cascata de partículas secundárias. Essa avalanche produz um excesso de elétrons, gerando um pulso de radiação em radiofrequência – hoje conhecido como efeito Askaryan. A assinatura já havia sido observada em aceleradores de partículas nos anos 2000 e no ar, a partir de chuvas atmosféricas. Mas faltava a confirmação direta no gelo.
Foi o que o ARA conseguiu após 208 dias de observações em 2019, usando uma de suas cinco estações enterradas no continente gelado. Com novas técnicas de simulação, os pesquisadores isolaram 13 eventos de rádio que, com um nível de confiança de 5,1 sigma (o padrão ouro para descobertas em física), foram atribuídos a raios cósmicos de altíssima energia.
Partículas fantasmas
Os neutrinos são notoriamente difíceis de detectar. Por interagirem apenas pela força nuclear fraca e pela gravidade, atravessam a matéria como se ela não existisse. A técnica tradicional para capturá-los é a radiação Cherenkov: quando uma partícula viaja mais rápido que a luz na água ou no gelo (onde a luz desacelera para 225 mil km/s), ela produz um flash azul característico.
Mas essa abordagem tem um limite. Neutrinos de energia extremamente alta – os mais raros e valiosos – podem passar despercebidos, pois exigiriam detectores Cherenkov do tamanho de centenas de quilômetros cúbicos. É aí que o efeito Askaryan se torna vantajoso. Em vez de luz visível, ele gera ondas de rádio que podem percorrer longas distâncias no gelo com pouca perda de sinal, permitindo monitorar volumes muito maiores com menos equipamento.
Raio cósmico ou neutrino
Embora o sinal de rádio gerado por raios cósmicos seja muito semelhante ao de neutrinos, há uma diferença crucial: raios cósmicos (como prótons ou núcleos atômicos) não conseguem penetrar profundamente no gelo. Eles interagem nas camadas superiores. Neutrinos, por outro lado, podem atingir grandes profundidades sem interagir.
“Já havia a hipótese de que alguns desses eventos poderiam ser devido a raios cósmicos impactando a camada de gelo”, explicou Philipp Windischhofer, da Universidade de Chicago, membro da equipe, ao IFL Science. Com as novas simulações, os pesquisadores conseguiram separar o sinal dos raios cósmicos do ruído de fundo – e confirmaram que os 13 eventos tinham essa origem.
A descoberta, longe de ser um contratempo, é na verdade uma validação do método. Agora que o efeito Askaryan está confirmado no gelo, os cientistas podem usá-lo para buscar neutrinos de energia ainda mais alta. A ideia é observar eventos semelhantes, mas em maior profundidade – onde os raios cósmicos não conseguem chegar, e apenas neutrinos poderiam produzir o sinal.
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Se bem-sucedida, a técnica permitirá a primeira detecção de neutrinos usando ondas de rádio, abrindo uma nova janela para os fenômenos mais violentos do universo, como núcleos ativos de galáxias, explosões de raios gama e outros aceleradores cósmicos de partículas. O gelo da Antártida, mais uma vez, prova ser o melhor laboratório natural do planeta.
Lucas Soares
Lucas Soares é editor de Ciência e Espaço no Olhar Digital e formado em Jornalismo pela Universidade Presbiteriana Mackenzie.