Amerikaanse onderzoekers hebben een nieuwe verklaring voor twee mysterieuze signalen die in 2006 en 2014 boven Antarctica zijn gemeten. Volgens hen zijn er geen exotische deeltjes dwars door de aarde gereisd, maar is kosmische straling teruggekaatst door een ondergrondse tussenvorm van sneeuw en ijs.
De verklaring is wellicht teleurstellend voor fysici die speculeerden over spannende nieuwe natuurkunde. Ze koppelden de metingen al aan onder andere supersymmetrische deeltjes, donkere materie en zelfs een parallel universum waarin de tijd de andere kant op gaat. Maar er is nog hoop: aan de nieuwe verklaring zitten heel wat haken en ogen.
Neutrino’s
De vreemde signalen werden in 2006 en 2014 gemeten door NASA-luchtballon ANITA. Deze ballon vloog destijds 37 kilometer boven Antarctica om langsvliegende deeltjes te meten.
Hoe gevaarlijk zijn supervulkanen?
In het verleden stortten zogeheten supervulkanen de aarde meermaals in een desastreuze ‘vulkanische winter’. Gaat dat opnieuw gebeuren?
Beide signalen bereikten de luchtballon bijna recht van onder. Dan zijn er gewoonlijk twee mogelijkheden: de deeltjes zijn dwars door de aarde gevlogen, of ze komen oorspronkelijk van boven en zijn door het poolijs teruggekaatst.
In het eerste geval moet er sprake zijn van neutrino’s. Dit zijn de enige deeltjes die ongehinderd door de hele aarde kunnen vliegen. Maar de signalen hadden een te hoge energie om van neutrino’s te komen. Zelfs deze spookachtige deeltjes raken een deel van hun energie kwijt wanneer ze zo’n groot stuk door de aarde vliegen.
Weerkaatsing door poolijs lijkt waarschijnlijker. Het is bekend dat de kosmische straling die de aarde voortdurend treft heel hoge energie kan hebben. Maar deze verklaring heeft een ander probleem: bij terugkaatsing hoort de polariteit, oftewel de oriëntatie, van de deeltjessignalen om te keren. Met andere woorden: je meet dan een signaal in spiegelbeeld. De twee gemeten signalen hadden echter geen omgekeerde polariteit.
Firn
En dus werd er wild gespeculeerd over steriele neutrino’s, stau-deeltjes en parallelle universa. Maar volgens natuurkundige Ian Shoemaker van de Amerikaanse Virginia Tech-universiteit is de verklaring meer down to earth, of eigenlijk down under earth. Samen met onder andere meteoroloog Peter Kuipers Munneke van de Universiteit Utrecht onderzocht hij de mogelijkheid dat de signalen toch zijn opgewekt door kosmische straling die is teruggekaatst – alleen niet door het poolijs, maar onder de grond.
In hun onderzoeksartikel behandelen de wetenschappers verschillende ondergrondse structuren die kosmische straling kunnen weerkaatsen zonder dat de polariteit ervan omkeert. Die omkering vindt namelijk alleen plaats wanneer de straling door een stof met lage dichtheid vliegt en weerkaatst op een stof met hoge dichtheid – bijvoorbeeld door lucht en op ijs. Wanneer de straling door iets van hoge dichtheid vliegt en weerkaatst op iets van lage dichtheid, keert de polariteit niet om.
Een dergelijke polariteitsbehoudende weerkaatsing kan onder de grond in bepaalde omstandigheden plaatsvinden. Volgens de onderzoekers is de kans het grootst in grondlagen met ‘firn’: een soort tussenvorm van sneeuw en ijs. ‘We denken dat ondergronds firn de boosdoener is’, zegt Shoemaker. ‘In plaats van over deeltjesfysica, heeft ANITA misschien iets interessants ontdekt over glaciologie.’
Te schoon signaal
Natuurkundige Peter Gorham van de Universiteit van Hawaï, onderzoeksleider van de ANITA-groep, is er niet van overtuigd dat ondergrondse weerkaatsing de metingen verklaart. ‘De onderzoekers presenteren gedetailleerde analyses van enkele mogelijkheden. Ze laten echter alleen zien dat onder bepaalde gunstige geometrische omstandigheden weerkaatsing zonder polariteitsomkering kan plaatsvinden’, zegt hij. ‘Om consistent te zijn met de metingen van ANITA, moeten dergelijke gunstige gebieden onder minstens 1 procent van het oppervlak voorkomen. Er is geen bewijs voor zo’n relatief hoog percentage onder Antarctica.’
Daarnaast denkt Gorham dat zelfs als kosmische straling regelmatig onder de grond wordt teruggekaatst, dit niet zou leiden tot de signalen die ANITA mat. ‘Met name de tweede meting toont een zeer coherent, schoon signaal zonder sporen van verstoring’, zegt hij. ‘We hebben ondergrondse weerkaatsing al veelvuldig gesimuleerd en daaruit volgt nooit een schoon en coherent signaal. Daarom denken we dat ondergrondse weerkaatsing nu nog geen plausibele verklaring is voor onze waarnemingen.’
Dubbele weerkaatsing
Natuurkundige David Besson van de Amerikaanse Universiteit van Kansas had het idee van ondergrondse weerkaatsing in 2018 al geopperd aan de ANITA-groep, maar later ook weer verworpen. ‘Als deze ondergrondse weerkaatsingen zo alomtegenwoordig zijn, waarom zien we ze dan niet in andere metingen van ANITA waarbij wel oppervlakteweerkaatsingen zijn gemeten? En waarom zien we van deze twee signalen juist alleen de ondergrondse weerkaatsing?’, vraagt hij. ‘De onderzoekers omzeilen dit bezwaar door te stellen dat kosmische straling zeer gefocust is, als een laserstraal. Ze nemen aan dat de ondergrondse reflecterende laag bij deze signalen ‘precies goed’ geörienteerd was, zodat ANITA wel de ondergrondse weerkaatsing mat, maar niet de weerkaatsing aan het oppervlak. Een geofysisch onwaarschijnlijke, maar wel mogelijke aanname.’
Een eerste test van Besson en zijn team pleit tegen deze aanname. In het HiCal-2-experiment stuurden onderzoekers brede bundels van straling de grond in. In tegenstelling tot bij de smalle kosmische ‘laserstralen’ zou ANITA bij deze bundels zowel de ondergrondse als de bovengrondse weerkaatsing moeten meten. Tenminste, als er sprake is van ondergrondse weerkaatsing.
‘Ik heb de gegevens doorzocht op zulke ‘dubbele weerkaatsingen’, die bewijs zouden bieden voor ondergrondse reflectoren’, zegt Besson. ‘Er waren ongeveer 10.000 signalen waarbij je eerder een dubbele weerkaatsing zou verwachten dan alleen een enkele. Bij geen van die gevallen trof ik een dubbele weerkaatsing aan.’ Besson heeft dit resultaat al aan de ANITA-groep getoond en werkt nu aan een publicatie.
Als de weerkaatsingstheorie inderdaad weerlegd wordt, zegt dat niets over wat de mysterieuze signalen dan wél verklaart. Het zet de deur naar spannende nieuwe fysica in ieder geval weer op een kier.
