Thomas Dalton
0 
4394
75
A co by było, gdyby jedno z najdziwniejszych, najbardziej niepokojących odkryć w fizyce cząstek okazało się iluzją?
Od marca 2016 roku dwa tajemnicze sygnały z Antarktydy zaskoczyły naukowców. Już dwukrotnie wysokoenergetyczna cząstka zdawała się wyskakiwać prosto z lodu, wyzwalając detektory w balonie unoszącym się nad głową eksperymentu. To tak, jakby cząsteczki przeszły przez całą Ziemię bez szwanku. Ale to powinno być prawie niemożliwe: żadna ze znanych cząstek, które łącznie są opisane w modelu fizycznym znanym jako Model Standardowy, nie może wykonać tej podróży na poziomach o wysokiej energii.
Cząsteczki, które poza tym są identyczne, mogą przenosić różne ładunki energii, a ilość energii, którą przenosi cząstka, może zmienić jej zachowanie. Widmowe, niskoenergetyczne neutrina mogą bez przeszkód prześliznąć się przez całą skorupę planety, stopioną skałę i żelazo. Ale nie są wystarczająco mocni, aby wytworzyć sygnały znalezione na Antarktydzie. Neutrina o wysokiej energii są wystarczająco silne, aby wytworzyć sygnały. Ale ponieważ te wysokoenergetyczne neutrina mają większe „przekroje poprzeczne” - wpływają na większy obszar otaczającej przestrzeni - mają tendencję do uderzania w przedmioty, zamiast prześlizgiwać się przez nie. To różnica między wrzuceniem kulki przez sieć rybacką a próbą wystrzelenia piłki plażowej przez te same szczeliny. Żadne znane wysokoenergetyczne neutrino nie powinno przejść przez całą Ziemię i wyłonić się z lodu Antarktydy.
Związane z: 18 największych nierozwiązanych zagadek w fizyce
Fizycy nazwali te dwa wykrycia „anomalią ANITA” od NASA Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA), powietrznego detektora, który wychwytywał sygnały. Porównali odkrycia ANITA z wynikami z IceCube - znacznie większego obserwatorium neutrin na Antarktydzie - i znaleźli większe poparcie dla poglądu, że znaleźli coś, czego nikt wcześniej nie widział. I poważnie potraktowali pomysł, że ANITA mogła natknąć się na coś wykraczającego poza Model Standardowy.
Teraz, w nowym artykule opublikowanym 24 kwietnia w czasopiśmie Annals of Glaciology, wspólny zespół fizyków i glacjologów twierdzi, że anomalia ANITA prawdopodobnie nie jest dowodem na nową fizykę. Zamiast tego może to być po prostu sztuczka z lodu. Złożone, ukryte struktury w białej przestrzeni mogły odbijać fale radiowe w nieoczekiwany sposób, oszukując odbiorniki radiowe ANITA do rejestrowania cząstki tak, jakby pochodziła z wnętrza Ziemi.
Jak działała anomalia
ANITA nigdy nie miała polować na nowe cząsteczki.
„W pewnym sensie to naprawdę prosty eksperyment” - powiedział Ian Shoemaker, fizyk z Virginia Tech i główny autor nowego artykułu. „Wszystko, co mają, to w zasadzie duży balon, a do jego dna przymocowany jest zestaw odbiorników radiowych. A wszystko, co wykrywają podczas każdego zdarzenia, to sygnał radiowy”.
Jednak sygnały radiowe mogą zawierać wiele informacji o cząsteczkach w ekstremalnie wysokich energiach.
Kiedy budowano ANITA, została zaprojektowana do polowania na egzotyczne zdarzenia przewidziane przez Model Standardowy. Wysokoenergetyczne neutrina tau - jeden z trzech aromatów neutrin wraz z neutrinami elektronowymi i mionowymi - należą do najbardziej nieuchwytnych cząstek w Modelu Standardowym. Te neutrina powinny dość często uderzać w Ziemię z kosmosu. Ale są trudne do wykrycia.
Związane z: 5 nieuchwytnych cząstek, które mogą czaić się we wszechświecie
Kiedy neutrina tau uderzają w coś i rozpadają się, wytwarzają inny rodzaj cząstki zwany tau. Nadzieja polegała na tym, że na Antarktydzie neutrina tau czasami uderzały w Ziemię pod dostatecznie płytkimi kątami, że rozpadałyby się w lodzie, wytwarzając cząstkę tau i charakterystyczny, wykrywalny sygnał radiowy z przejścia tau przez lód. Ten sygnał radiowy ma przewidywalny kształt fali: duży skok, duży spadek, mniejszy skok i mniejszy spadek - kształt określany głównie przez pole magnetyczne Ziemi. I uderzyłby ANITĘ z dołu iz boku, co świadczy o kącie patrzenia, pod jakim uderzył w planetę.
ANITA wychwyciła kilka takich wydarzeń, a także sygnały z promieni kosmicznych docierających prosto na Antarktydę z kosmosu. Kiedy tak się dzieje, naładowana cząstka - być może proton - uderza w atmosferę nad Antarktydą, wpada w deszcz mniejszych naładowanych cząstek i wytwarza rozbłysk radiowy, który odbija się od lodu przed uderzeniem w ANITĘ. Ponownie, zdarzenia te wytwarzają ten sam kształt fali, co neutrina tau. Kształt jest w dużej mierze zdeterminowany przez pole magnetyczne Ziemi i zawiera tylko słabe ślady samych cząstek, powiedział Shoemaker .
Ale ANITA może odróżnić neutrino tau od podstawowego promienia kosmicznego: kiedy fale radiowe uderzają w lód i odbijają się od ANITA, ich kształty zmieniają się. Więc zamiast widzieć GÓRA-DÓŁ-górę-dół tau spoglądającego przez lód, ANITA widzi odbite W DÓŁ-GÓRĘ-dół promienia kosmicznego. Te sygnały promieniowania kosmicznego mogą uderzyć ANITĘ z dowolnego kierunku, odbijając się od lodu.
Dwie anomalie ANITA nie pasowały do żadnej z kategorii. W każdym przypadku ANITA wykryła niezwierciadlany przebieg, który sugerowałby neutrino tau, góra-dół-góra-dół. Ale fala uderzyła ANITĘ pod kątem tak ostrym, że aby przybyć bez odbicia, musiałaby przejść przez niemożliwie gruby kawałek Ziemi.
Był to sygnał, którego projektanci ANITA nie spodziewali się, budując detektor, i wskazywał na możliwość wybuchu nowych, nieznanych cząstek z Antarktydy..
Anomalia lub iluzja?
Po latach badań fizykom nie udało się łatwo wytłumaczyć anomalii, powiedział Derek Fox, ekspert ds. Neutrin z Pennsylvania State University. Fox, członek zespołu IceCube, nie był zaangażowany w eksperyment ANITA ani w nowy artykuł.
Fizycy zaproponowali kilka niezwykłych wyjaśnień, które nie złamałyby Modelu Standardowego. Zjawisko znane jako „koherentne promieniowanie przejściowe” mogło mieć problemy z falami radiowymi pochodzącymi z roju promieni kosmicznych, sugerowali dwaj teoretycy w marcu 2019 r. A może sygnały pochodzą z efektów ciemnej materii we wszechświecie lustrzanym, artykuł z marca 2018 r. proponowane.
Związane z: 5 powodów, dla których możemy żyć w multiwersie
Ale pomijając te bardziej zadziwiające wyjaśnienia, powiedział Fox, „anomalie atmosferyczne lub lodowcowe są właściwie tym, z czym pozostaje”, zanim nowa cząstka stanie się jedynym wyjaśnieniem.
(Możliwe jest również, że jakiś instrumentalny problem z ANITA mógł wytworzyć sygnał, który powiedział, ale jest to wątpliwe, biorąc pod uwagę, jak technicznie biegły jest zespół ANITA.)
Mimo to, powiedział Fox, nikt jeszcze nie przedstawił przekonującego wyjaśnienia, w jaki sposób efekty powietrza lub lodu mogą powodować anomalie ANITA. To było zanim pojawił się zespół Shoemakera, z jego niezwykłą kombinacją fizyków cząstek, ekspertów radiowych i glacjologów.
Autorzy nowego badania przedstawili prosty argument: kiedy fale radiowe przechodzące przez powietrze odbijają się od gęstego obiektu, takiego jak górna warstwa lodu, ich kształty zmieniają się zgodnie z oczekiwaniami ANITA. Ale są też inne rodzaje odbić, które mogą oszukać czujniki ANITA.
Kiedy fala przechodząca przez substancję o dużej gęstości (jak skała) uderza w substancję o niższej gęstości (np. Wodę), część energii fali odbija się z powrotem. Ale to odbicie wygląda inaczej niż to, które pojawia się, gdy fala przemieszcza się ze środowiska o małej gęstości (jak powietrze) do obiektu o dużej gęstości (np. Lodu).
Podróżując z antarktycznego nieba w kierunku środka Ziemi, jak deszcz promienia kosmicznego, przeważnie napotkasz jedno gęstsze środowisko po drugim. Powietrze staje się coraz gęstsze. Potem uderzyłeś w lód. Potem uderzasz w rock. Następnie znajdziesz się w gorącym, gęstym centrum planety. Przy każdym z tych przejść odbijająca się fala wyglądałaby dokładnie tak, jak tego oczekuje ANITA.
Ale są cechy lodu, które nie pasują do tego wzoru, zauważyli Shoemaker i jego koledzy. Pokryte śniegiem szczeliny, obszary zestresowanego kryształu zwane „warstwami tkaniny lodowej” i jeziora ciekłej wody zakopane pod zamarzniętą powierzchnią mogą odbijać sygnał radiowy promienia kosmicznego bez jego odzwierciedlania.
Jednak jeziora subglacjalne i pokryte śniegiem szczeliny nie są na tyle powszechne, aby być prawdopodobnym wyjaśnieniem zdarzenia ANITA - stwierdzili naukowcy. Tkanina lodowa i inna cecha lodu o małej gęstości, znana jako „skorupa wiatru”, mogą wyjaśniać te anomalie, powiedzieli. Ale glacjolodzy nie wiedzą, jak często występują w tym regionie. Jednak dwie cechy wyróżniają się jako prawdopodobne wyjaśnienia, napisał Shoemaker i jego zespół.
Pierwsza to firn, rodzaj zamarzniętej wody, która nie jest tak miękka i luźna jak świeży śnieg, ale nie została jeszcze skompresowana w pojedynczy blok lodu. Warstwy jodły topią się, przemieszczają i zamrażają w kółko, tworząc warstwy o dużej i małej gęstości. Nikt nie szukał firna w regionach, w których ANITA zauważyła anomalie, ale jest szeroko rozpowszechniona na Antarktydzie i może odbijać fale radiowe bez ich odzwierciedlania.
Inną możliwością jest chory. Warstwy grubego śniegu i lodu czasami ukrywają słabsze, kruche warstwy lodu, które mają mniejszą gęstość niż lód nad nimi. Według Ulyany Horodyskyj, glacjologa z Colorado College, który nie był zaangażowany w pracę ANITA ani Shoemaker, alpiniści znają ten lód i boją się go. Kiedy słabe warstwy szronu ślizgają się po zboczach gór, lód nad głową może zapaść się w pośpiechu - zjawisko znane jako lawina. Ponownie, nie ma jeszcze żadnych bezpośrednich dowodów na tego rodzaju podwójną warstwę w obszarze ANITA. Ale szara jest szeroko rozpowszechniona na Antarktydzie i może wyjaśniać niezwykłą refleksję.
Związane z: Antarktyda: pokryte lodem dno świata na zdjęciach
Nic z tego nie jest dowodem na to, że zespół ANITA pomylił jakiś dziwny lód z unoszącą się cząstką - napisali autorzy. Ale pokazuje, że sama ANITA prawdopodobnie nie jest w stanie rozróżnić tych dwóch tak dobrze, jak sądzili fizycy.
„Przyszłe eksperymenty nie powinny wykorzystywać inwersji fazy [przełączanie przebiegu z GÓRA-DÓŁ-góra-dół do DÓŁ-GÓRA-dół-góra] jako jedynego kryterium rozróżnienia między zdarzeniami zstępującymi i rosnącymi, chyba że właściwości odbicia podpowierzchniowego są dobrze rozumiane ”- napisali autorzy.
Innymi słowy, Antarktyda jest zbyt skomplikowana, by traktować ją jak zwykłe lustro bez dokładnych badań. Kryształy zakopane pod powierzchnią mogą płatać figle. A te sztuczki mogą wyjaśnić tę anomalię.
"Lód to lód - dopóki nie jest, prawda?" Horodyskyj powiedział .
Powiedziała, że glacjolodzy cały czas używają fal radiowych do badania lodu. Radar penetrujący może ujawnić cechy, które nie są widoczne na powierzchni. Ale te sygnały są często niechlujne, a ich interpretacja może być bardziej sztuką niż nauką.
„Masz wszystkie te różne warstwy gęstości, które mogą wysłać cały sygnał” - powiedział Horodyskyj. „Jeśli masz metal, gruz, skały, wodę i lód, są one naprawdę łatwe do odróżnienia. Wszystkie mają swój własny sygnał lub odcisk palca. Ale kiedy już poznasz te szczegóły lodu, to naprawdę fascynujące, jak nawet miękkość lodu zmienia sygnał ”.
Nie jest zaskakujące, powiedziała, że te subtelne cechy lodu mogą stworzyć iluzję nowej fizyki.
Otwarte pytania
Fizycy muszą zobaczyć więcej, zanim zostaną przekonani w ten czy inny sposób.
„To możliwe wyjaśnienie” - powiedział Peter Gorham, fizyk z Uniwersytetu Hawajskiego w Mānoa i lider współpracy ANITA, „ale moim zdaniem mało prawdopodobne”.
Fox powiedział, że najbardziej zaskakującą implikacją z pracy Shoemakera jest to, że jakikolwiek obiekt lodu mógł stworzyć anomalię, doskonale odbijał sygnał.
W normalnych okolicznościach fala odbijająca się od czegoś nie odbija się równo - niezależnie od tego, czy jest lustrzana, czy nie. Różne długości fal są zwykle odbijane na różne sposoby, powiedział Fox, pozostawiając ślady tego, co fizycy nazywają „przetwarzaniem”.
„Rzecz w tym, że sam patrzyłem na falę”, powiedział Fox, „i nie widziałem niczego, co wyglądałoby jak przetwarzanie”.
Jeśli coś odbiło falę z powrotem do ANITA, zrobiło to bez pozostawiania wykrywalnych śladów.
„Sygnał jest bardzo czysty, całkiem zgodny z innymi normalnymi promieniami kosmicznymi, które zaobserwowaliśmy. W danych nie ma dowodów na jakiekolwiek istotne zakłócenia sygnału poza normalnym odbiciem” - powiedział Gorham .
Artykuł Shoemaker zawiera wyjaśnienie tego; przy odpowiedniej strukturze gęstości odbłyśnik może być wystarczająco jednorodny na różnych długościach fal, aby przetworzyć czysty sygnał. To byłoby jak mieć super czyste lustro.
W tym modelu z czystym lustrem faktycznie wystąpiłyby dwa rozbłyski radiowe na każdą anomalię ANITA. Jedno, „pierwotne” odbicie, zostałoby odwrócone zgodnie z oczekiwaniami ANITA. Ale gdyby powierzchnia była odpowiednio nachylona, odbiłaby się od czujników ANITA. Dopiero drugi wybuch, to czyste, niezrealizowane echo uderzyłoby w odbiorniki ANITA.
„Chociaż jest to możliwe, wydaje się, że wymaga to zbiegu okoliczności, który jest bardzo trudny do oceny: warstwa podpowierzchniowa o odpowiednich właściwościach, połączona ze spadkiem powierzchni również o odpowiednich właściwościach” - powiedział Gorham.
Shoemaker powiedział, że kiedy zaczął badać anomalię ANITA, miał nadzieję znaleźć dowody na nową fizykę; nie postanowił podważyć odkrycia.
W tym momencie jednak powiedział: „Gdyby ktoś mnie zapytał:„ Czy to jest jakiś rodzaj nowego sterylnego neutrino lub aksjonu, czy coś takiego [poza cząstkami Modelu Standardowego], czy może to lód? ”. Muszę powiedzieć: „To lód”. Inwersje gęstości Firna to rzeczy, o których wiemy, że istnieją i nie wymagają nowej fizyki. Więc gdybym miał postawić zakład, to na to postawiłbym swoje pieniądze. "
Według Fox, rygorystycznie pokazując, jak powszechne są tego rodzaju cechy w regionie ANITA, zespół Shoemaker udowodnił, że jakiś niezwykły refleks mógł spowodować anomalię ANITA. Ale to jeszcze nie jest nokaut dla nowej fizyki. Aby potwierdzić lub obalić artykuł Shoemaker, potrzebny byłby bezpośredni dowód na tego rodzaju niezwykłą refleksję, która ma miejsce na Antarktydzie.
Jak dotąd, powiedział Gorham, dowody nie potwierdzają niczego dziwnego w lodzie.
„Grupa ANITA przeprowadziła wiele badań lodu Antarktydy i opublikowała kilka artykułów również w literaturze glacjologicznej, sięgających ponad dekadę wstecz” - powiedział. „Przebadaliśmy szczegółowo za pomocą wysokościomierza satelitarnego i map radarowych lokalizację tych zdarzeń i szczególnie w tym przypadku nie ma nic niezwykłego”.
Dodał, że współpraca ANITA ma wstępne wyniki z dotychczas niepublikowanych badań, które zdawałyby się zaprzeczać temu, co proponowali Shoemaker i jego współautorzy..
Artykuł Shoemaker sugerował wysłanie zespołu do miejsc anomalii i odbijanie fal radiowych od lodu, aby zobaczyć, co się stanie.
Horodyskyj zgodził się z tym podejściem.
„To, czego potrzebujesz, to podstawowa prawda” - powiedziała.
Ta część Antarktydy jest niezwykle opuszczona, nawet jak na ten pusty kontynent, powiedziała. Przeglądając literaturę dotyczącą glacjologii, stwierdziła, że znalazła niewiele bezpośrednich danych na temat składu lodu w regionie, w którym ANITA zauważyła anomalie. Niewiele rdzeni lodowych lub inne badania naziemne dają wystarczająco jasny obraz lodu podpowierzchniowego.
"Musiałbyś dowiedzieć się: jaki jest ślad eksperymentu z powietrza, który zrobili?" - powiedziała, odnosząc się do obszaru lodu, z którego zdawała się pochodzić wznosząca się cząstka. „Jeśli ma wymiary 100 na 100 metrów, chciałbyś zrobić dokładnie to samo na ziemi: 100 na 100 metrów, rozłożyć, umieścić znaczniki i rogi, a potem wyjąć radar”.
Powiedziała, że powolne przenoszenie radaru nad ziemią zapewni wystarczająco dużo szczegółów, aby naprawdę zrozumieć lód. W zależności od logistyki można było nim spacerować po okolicy, jeździć na nartach lub skorzystać ze skutera śnieżnego.
Mapowanie obszaru kawałek po kawałku może ujawnić głębię przejścia jodły do lodowca i inne szczegóły, których nie można byłoby wykryć z daleka, powiedziała..
„W rejonie, w którym pracują, jest dość sucho, więc poziom jodły może sięgać naprawdę głęboko w porównaniu z częściami wzdłuż wybrzeża, gdzie topnieją znacznie więcej” - powiedziała. „A potem inną rzeczą, którą chciałbym zrobić na środku tej siatki, byłoby wzięcie lodowego rdzenia”.
Powiedziała, że długa, fizyczna rura lodu może odsłonić gołym okiem wszelkie nieoczekiwane warstwy, które mogą zepsuć sygnały radiowe.
Dopóki nie zostaną przeprowadzone dodatkowe badania, zgodzili się Horodyskyj i Fox, trudno będzie wiedzieć na pewno, czy wyjaśnienie Shoemakera może podważyć anomalię ANITA, czy też te nowe odkrycia zostaną całkowicie wykluczone.
- Co to jest? Odpowiedzi na twoje pytania dotyczące fizyki
- 11 największych pytań bez odpowiedzi dotyczących ciemnej materii
- 15 najdziwniejszych galaktyk w naszym wszechświecie
Pierwotnie opublikowano w dniu .
OFERTA: Zaoszczędź 45% na „Jak to działa” „Wszystko o kosmosie” i „Wszystko o historii”!
Przez ograniczony czas możesz wykupić cyfrową subskrypcję dowolnego z naszych najlepiej sprzedających się czasopism naukowych za jedyne 2,38 USD miesięcznie lub 45% zniżki od ceny standardowej przez pierwsze trzy miesiące. Zobacz ofertę
Zobacz wszystkie komentarze (4)