Dziwne cząsteczki wciąż wylatują z lodu Antarktydy i mogą zniszczyć współczesną fizykę

Z zamarzniętej ziemi na Antarktydzie wydobywa się coś tajemniczego i może złamać fizykę, jaką znamy.

Fizycy nie wiedzą dokładnie, co to jest. Ale oni wiedzą, że to jakiś rodzaj promienia kosmicznego - wysokoenergetyczna cząstka, która przedarła się przez kosmos, do Ziemi iz powrotem na zewnątrz. Ale fizycy cząstek, o których wiedzą fizycy - zbiór cząstek tworzących to, co naukowcy nazywają modelem standardowym (SM) fizyki cząstek - nie powinni być w stanie tego zrobić. Jasne, istnieją neutrina niskoenergetyczne, które mogą przebić się przez wiele kilometrów skał nienaruszonych. Jednak wysokoenergetyczne neutrina, jak również inne wysokoenergetyczne cząstki, mają „duże przekroje poprzeczne”. Oznacza to, że prawie zawsze zderzą się z czymś wkrótce po wpadnięciu na Ziemię i nigdy nie wyjdą na drugą stronę.

A jednak od marca 2016 r. Naukowcy zastanawiają się nad dwoma wydarzeniami na Antarktydzie, w których promienie kosmiczne wybuchły z Ziemi i zostały wykryte przez Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) - antenę balonową dryfującą nad południowym kontynentem..

ANITA została zaprojektowana do polowania na promienie kosmiczne z kosmosu, więc społeczność wysokoenergetycznych neutrin tętniła z podniecenia, gdy instrument wykrył cząstki, które wydawały się wystrzelić z Ziemi, zamiast zbliżać się z kosmosu. Ponieważ promienie kosmiczne nie powinny tego robić, naukowcy zaczęli się zastanawiać, czy te tajemnicze promienie są zbudowane z cząstek, których nigdy wcześniej nie widziano.

Od tego czasu fizycy proponowali różne rodzaje wyjaśnień dla tych „wznoszących się” promieni kosmicznych, od sterylnych neutrin (neutrin, które rzadko wbijają się w materię) do „nietypowych rozkładów ciemnej materii wewnątrz Ziemi”, odnosząc się do tajemniczej formy materii, która nie Nie wchodzi w interakcje ze światłem [18 największych nierozwiązanych tajemnic fizyki]

Wszystkie wyjaśnienia były intrygujące i sugerowały, że ANITA mogła wykryć cząstkę nieuwzględnioną w modelu standardowym. Ale żadne z wyjaśnień nie wykazało jednoznacznie, że coś bardziej zwyczajnego nie mogło spowodować sygnału w ANITA.

Nowy artykuł przesłany dzisiaj (26 września) do serwera preprint arXiv to zmienia. W nim zespół astrofizyków z Penn State University wykazał, że było więcej cząstek o wysokiej energii wznoszących się w górę niż tych, które wykryto podczas dwóch wydarzeń ANITA. Trzy razy, jak napisali, IceCube (inne, większe obserwatorium neutrin na Antarktydzie) wykryło podobne cząstki, chociaż nikt jeszcze nie połączył tych wydarzeń z tajemnicą w ANITA. A łącząc zbiory danych IceCube i ANITA, naukowcy z Penn State obliczyli, że niezależnie od cząstki wyskakującej z Ziemi, ma ona znacznie mniej niż 1 na 3,5 miliona szans na bycie częścią Modelu Standardowego. (Z technicznego, statystycznego punktu widzenia, ich wyniki miały ufności 5,8 i 7,0 sigma, w zależności od tego, na które z ich obliczeń patrzysz).

Łamanie fizyki

Derek Fox, główny autor nowego artykułu, powiedział, że po raz pierwszy zetknął się z wydarzeniami ANITA w maju 2018 r., W jednym z wcześniejszych artykułów próbujących je wyjaśnić..

„Pomyślałem:„ Cóż, ten model nie ma większego sensu ”- powiedział Fox -„ ale wynik [ANITA] jest bardzo intrygujący, więc zacząłem go sprawdzać. Zacząłem rozmawiać z moim sąsiadem z biura, Steinnem Sigurdssonem [ drugi autor artykułu, który również przebywa w Penn State] o tym, czy może moglibyśmy znaleźć bardziej wiarygodne wyjaśnienia niż artykuły, które zostały opublikowane do tej pory ”.

Fox, Sigurdsson i ich współpracownicy zaczęli szukać podobnych zdarzeń w danych zebranych przez inne detektory. Powiedział, że kiedy natknęli się na możliwe zdarzenia mające wpływ na wzrost w danych z IceCube, zdał sobie sprawę, że mógł natknąć się na coś naprawdę zmieniającego grę w fizyce. [5 tajemniczych cząstek czających się pod ziemią]

„To właśnie doprowadziło mnie do działania i spojrzenia na wydarzenia ANITA z najwyższą powagą” - powiedział, a później dodał: „Po to żyją fizycy. Łamanie modeli, wyznaczanie nowych ograniczeń [w rzeczywistości], poznanie wszechświata nie wiedzieliśmy ”.

Jak informowaliśmy wcześniej, eksperymentalna fizyka cząstek wysokoenergetycznych nie działa od kilku lat. Kiedy 27-milowy (27 km), wart 10 miliardów dolarów Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) został ukończony na granicy między Francją a Szwajcarią w 2009 roku, naukowcy myśleli, że odkryje on tajemnice supersymetrii - tajemniczej, teoretycznej klasy cząstek, które naukowcy podejrzewają może istnieć poza obecną fizyką, ale nigdy nie został wykryty. Zgodnie z supersymetrią, każda istniejąca cząstka w Modelu Standardowym ma partnera supersymetrycznego. Naukowcy podejrzewają, że ci partnerzy istnieją, ponieważ masy znanych cząstek są nietypowe - nie są względem siebie symetryczne.

„Chociaż SM działa bardzo dobrze w wyjaśnianiu wielu zjawisk, nadal ma wiele utrudnień” - powiedział Seyda Ipek, fizyk cząstek elementarnych z UC Irvine, który nie był zaangażowany w obecne badania. „Na przykład nie może wyjaśnić istnienia ciemnej materii, [wyjaśnić matematyczną dziwność w] masach neutrin ani asymetrii wszechświata między materią a antymaterią”.

Zamiast tego LHC potwierdził bozon Higgsa, ostatnią niewykrytą część Modelu Standardowego, w 2012 roku. A potem przestał wykrywać cokolwiek innego tak ważnego lub interesującego. Naukowcy zaczęli zastanawiać się, czy jakikolwiek istniejący eksperyment fizyczny mógłby kiedykolwiek wykryć cząstkę supersymetryczną.

„Potrzebujemy nowych pomysłów” - powiedziała Jessie Shelton, fizyk teoretyczny z University of Illinois w Urbana-Champaign w maju, mniej więcej w tym samym czasie, gdy Fox po raz pierwszy zainteresował się danymi ANITA.

Teraz kilku naukowców niezaangażowanych w artykuł z Penn State powiedziało, że przedstawia on solidny (jeśli niekompletny) dowód, że naprawdę nadeszło coś nowego.

"Od początku było jasne, że jeśli anomalne zdarzenia ANITA są spowodowane cząstkami, które rozprzestrzeniły się przez tysiące kilometrów Ziemi, to najprawdopodobniej nie były to cząstki SM" - powiedział Mauricio Bustamante, astrofizyk z Instytutu Nielsa Bohra w Uniwersytet w Kopenhadze, który nie był autorem nowego artykułu.

„Artykuł, który ukazał się dzisiaj, jest pierwszym systematycznym obliczeniem tego, jak mało prawdopodobne jest, aby zdarzenia te były spowodowane neutrinami SM” - dodał. „Ich wynik zdecydowanie nie sprzyja wyjaśnieniu SM”.

„Myślę, że to bardzo fascynujące” - powiedział Bill Louis, fizyk neutrin z Los Alamos National Laboratory, który nie był zaangażowany w artykuł i przez kilka miesięcy śledził badania nad wydarzeniami ANITA.

Jeśli cząstka modelu standardowego stworzyła te anomalie, powinny to być neutrina. Naukowcy wiedzą, że zarówno ze względu na cząstki, na które się rozpadły, jak i dlatego, że żadna inna standardowa cząstka modelowa nie miałaby nawet miliona szans na przedostanie się przez Ziemię.

Ale neutrina tej energii, powiedział Louis, nie powinny po prostu przedostawać się przez Ziemię wystarczająco często, aby ANITA lub IceCube mogły je wykryć. Nie chodzi o to, jak oni działają. Ale detektory neutrin, takie jak ANITA i IceCube, nie wykrywają neutrin bezpośrednio. Zamiast tego wykrywają cząsteczki, na które rozkładają się neutrina po zderzeniu z ziemską atmosferą lub lodem Antarktydy. Są też inne zdarzenia, które mogą generować te cząstki, wyzwalając detektory. Ten artykuł zdecydowanie sugeruje, że te zdarzenia musiały być supersymetryczne, powiedział Louis, chociaż dodał, że potrzeba więcej danych.

Fox i jego koledzy argumentowali dalej, że cząstki te są najprawdopodobniej rodzajem teoretycznej supersymetrycznej cząstki zwanej „stau snem”. Snopy Stau to supersymetryczne wersje cząstek Modelu Standardowego zwanych leptonami tau. Litera „S” oznacza „supersymetryczny” (naprawdę). [Sparticles to Neutrinos: The Coolest Little Particles in the Universe]

Louis powiedział, że na tym etapie uważa, że ​​poziom szczegółowości jest „trochę naciągany”.

Autorzy przedstawiają mocny przypadek statystyczny, że żadna konwencjonalna cząstka prawdopodobnie nie podróżowałaby po Ziemi w ten sposób, powiedział, ale nie ma jeszcze wystarczających danych, aby być pewnym. I z pewnością nie jest wystarczająco dużo, aby definitywnie dowiedzieć się, jaka cząstka odbyła podróż.

Fox nie kwestionował tego.

„Jako obserwator nie mogę wiedzieć, że to jest stanowisko” - powiedział. „Z mojej perspektywy chodzę po okolicy, próbując odkryć nowe rzeczy o wszechświecie, natrafiam na naprawdę dziwaczne zjawisko, a potem razem z moimi kolegami przeszukujemy literaturę, aby zobaczyć, czy ktoś kiedykolwiek pomyślał, że to może się wydarzyć. A jeśli w literaturze znajdziemy artykuły, w tym te sprzed 14 lat, które przewidują coś takiego, jak to zjawisko, to nabiera dla mnie naprawdę dużej wagi ”.

On i jego koledzy znaleźli długi łańcuch artykułów od teoretyków przewidujących, że stau spać mogą pojawiać się w ten sposób w obserwatoriach neutrin. A ponieważ te artykuły zostały napisane przed anomalią ANITA, powiedział Fox, to silnie sugeruje mu, że ci teoretycy byli na czymś.

Ale na tym froncie pozostaje wiele niepewności, powiedział. W tej chwili naukowcy po prostu wiedzą, że czymkolwiek jest ta cząstka, oddziałuje ona bardzo słabo z innymi cząstkami, inaczej nigdy nie przeżyłaby podróży przez gęstą masę planety.

Co dalej

Każdy fizyk, z którym rozmawiał, zgodził się, że naukowcy muszą zebrać więcej danych, aby sprawdzić, czy ANITA i IceCube mają pękniętą supersymetrię. Jest możliwe, powiedział Fox, że kiedy badacze IceCube przekopią się do swoich archiwów danych, znajdą więcej podobnych zdarzeń, które wcześniej pozostawały niezauważone. Louis i Bustamante powiedzieli, że NASA powinna przeprowadzać więcej lotów ANITA, aby sprawdzić, czy pojawiają się podobne cząstki wznoszące się.

„Abyśmy byli pewni, że zdarzenia te nie są spowodowane nieznanymi niewiadomymi - powiedzmy, niezamapowanymi właściwościami lodu Antarktydy - chcielibyśmy, aby inne instrumenty również wykrywały tego typu zdarzenia” - powiedział Bustamante.

W dłuższej perspektywie, jeśli te wyniki zostaną potwierdzone, a szczegóły dotyczące cząsteczki, która je powoduje, kilku naukowców stwierdziło, że anomalia ANITA może odblokować jeszcze więcej nowych fizyki w LHC.

„Każda obserwacja cząstki innej niż SM zmieniłaby zasady gry, ponieważ wskazywałaby nam, jaką ścieżkę powinniśmy podążać po SM” - powiedział Ipek. „Typ [supersymetrycznej] cząstki, z której, jak twierdzą, wytworzyły sygnały, snuptony, jest bardzo trudny do wytworzenia i wykrycia w LHC”.

„Jest więc bardzo interesujące, czy można je zaobserwować za pomocą innych typów eksperymentów. Oczywiście, jeśli to prawda, będziemy oczekiwać, że w LHC będzie obserwowana drabina innych cząstek [supersymetrycznych], co będzie uzupełnieniem test roszczeń. "

Innymi słowy, anomalie ANITA mogą dostarczyć naukowcom kluczowych informacji niezbędnych do prawidłowego dostrojenia LHC, aby odblokować więcej supersymetrii. Te eksperymenty mogą nawet doprowadzić do wyjaśnienia ciemnej materii.

W tej chwili, powiedział Fox, jest po prostu spragniony większej ilości danych.