Bizarre partikler flyr ut av Antarktis isen som kan stride mot moderne fysikk

Det er noe mystisk som kommer opp fra den frosne isen i Antarktis, og dette kan bryte men fysikken som vi kjenner det.

Fysikere vet ikke hva det egentlig er. Men de vet at det er en slags kosmisk stråling – en høyenergipartikkel som trenger seg gjennom verdensrommet, inn i jorden og så tilbake ut igjen. Men det partikkelfysikere vet er at – en samlingen av partikler som utgjør hva forskere kaller standardmodellen (SM) av partikkelfysikk – burde ikke kunne gjøre dette. Visst, det er lav-energi nøytriner som kan gå igjennom kilometer på kilometer av masse upåvirket. Men høy-energi nøytriner, samt andre høy-energi partikler, har et “stort tverrsnitt.” Det betyr at de nesten alltid vil kollidere inn i noe snart etter å trengt inn i jorden og vil aldri komme ut på den andre siden.

Og likevel, siden mars 2016 har forskere vært forvirrende over to hendelser i Antarktis hvor kosmiske stråler kom ut fra jorden, og ble oppdaget av NASAs Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) – en ballongbåren antenne som drev over det sydlige kontinentet.

ANITA er laget for å jakte kosmiske stråler fra verdensrommet. Slik at høy-energi-nøytrino-samlingen sammen med spenning oppdager  instrumentet partikler som syntes å trenger seg opp fra jorden, i stedet for å zoome seg ned fra rommet. Kosmiske stråler burde ikke gjøre dette. Forskerne har begynte å lure på om disse mystiske strålene er laget av partikler som aldri er blitt sett før.

Siden da har fysikere foreslått alle slags forklaringer for disse “oppadgående” kosmiske strålene, fra sterile nøytriner (nøytriner som sjelden kommer i kontakt til materie) til “atypiske mørk-materie fordelinger inne i jorden”, og refererer til den mystiske form for materie som ikke påvirkes av lys.

Alle forklaringene var spennende, og foreslo at ANITA kunne ha oppdaget en partikkel som ikke er registrert i standardmodellen. Men ingen av forklaringene beviste fullstendig at noe mer vanlig ikke kunne ha forårsaket signalet til ANITA.

En ny artikkel lastet opp den 26. september til arXiv serveren endrer det. I den er en gruppe av astrofysikere fra Penn State University vist at det har vært flere oppadgående højenergipartikler enn de som ble oppdaget under de to ANITA-hendelsene. Tre ganger skrev de, IceCube (et annet, større nøytrino observatorium i Antarktis) oppdaget lignende partikler, selv om ingen ennå hadde koblet disse hendelsene til mysteriet på ANITA. Og ved å kombinere IceCube- og ANITA-dataene, beregnede Penn State-forskerne at uansett hva partikkeler som sprer seg opp fra Jorden, har den mye mindre enn en 1 til 3,5 millioner sjanse å være en del av standardmodellen.

 

Bryter med fysikken

Derek Fox, lederforfatteren, sa at han først kom over ANITA-hendelsene i mai 2018 i et av de tidligere papirene som forsøkte å forklare dem.

“Jeg var som,” Vel, denne modellen gir ingen mening, “sa Fox til Live Science,” men resultatet av [ANITA] er veldig spennende, så jeg begynte å sjekke det. Jeg begynte å snakke med Steinn Sigurdsson [den andre forfatteren, som også er fra Penn State] om hvorvidt vi kanskje kan gi mer troverdige forklaringer enn de artikler som har blitt publisert til dags dato”.

Fox, Sigurdsson og deres kolleger begynte å lete etter lignende hendelser i data samlet av andre detektorer. Da de kom over mulige oppadgående hendelser i IceCube-data, sa han, at han skjønte at han kanskje hadde kommet over noe som virkelig “game-changer” for fysikken.

«Det var det som virkelig fikk meg til å gå videre. Ser vi på ANITA-hendelsene med det største alvor,» sa han senere og la til: «Dette er hva fysikere lever for. Bryte modeller, sette nye begrensninger [på virkeligheten], lære ting om universet som vi ikke visste”.

Som Live Science tidligere har rapportert om, har eksperimentell, partikkelfysikk med høy energi vært stillestående de siste årene. Da den 27 kilometer, 10 milliarder dollar Large Hadron Collider (LHC) ble ferdig på grensen mellom Frankrike og Sveits i 2009, trodde forskerne at det ville avdekke mysteriene til supersymmetri – den mystiske, teoretiske klassen av partikler som forskerne mistenker kan eksistere utenfor dagens fysikk, men er aldri blitt oppdaget. Ifølge supersymmetri har hver eksisterende partikkel i standardmodellen en supersymmetrisk partner. Forskere mistenker at disse eksisterer fordi massene av kjente partikler er ute av orden – ikke symmetrisk med hverandre.

“Selv om SM fungerer veldig bra for å forklare en mengde fenomener, har den fortsatt mange ulemper,” sa Seyda Ipek, en partikkelfysiker ved UC Irvine, som ikke var involvert i forskningen. “For eksempel kan den ikke beregne eksistensen av mørk materie,  nøytrino-masser, eller universets materielle antimattersymmetri.”

I stedet bekreftet LHC Higgs boson, den endelige uoppdaget delen av standardmodellen, i 2012. Og så stoppet det med å oppdage alt annet som er viktig eller interessant. Forskere begynte å stille spørsmål om et eksisterende fysikkeksperiment noen gang kunne oppdage en supersymmetrisk partikkel.

“Vi trenger nye ideer,” sa Jessie Shelton, en teoretisk fysiker ved University of Illinois i Urbana-Champaign, til Live Science i mai 2018, rundt samme tid som Fox først ble interessert i ANITA-dataene.

Nå har flere forskere, som ikke er involvert i Penn State-artikkelen, fortalt Live Science at den gir solid (om ufullstendig) bevis for at noe nytt har virkelig kommet fram.

“Det var klart fra starten at hvis ANITA-anomaløse hendelser skyldes partikler som hadde spredt seg gjennom tusenvis av kilometer av Jorden, så var disse partiklene sannsynligvis ikke SM-partikler,” sa Mauricio Bustamante, en astrofysiker ved Niels Bohr Institute ved Københavns Universitet, som ikke var forfatter til den nye artikkel.

“Artikkel som dukket opp er den første systematiske beregningen av hvor usannsynlig at disse hendelsene skyldtes SM nøytrinoer,” la han til. “Deres resultat sterkt favorisere ikke en SM-forklaring.”

“Jeg synes det er veldig overbevisende,” sa Bill Louis, en nøytrino fysiker ved Los Alamos nasjonale laboratorium som ikke var involvert i artikkelen, og har studert ANITA-hendelsene i flere måneder.

Hvis standardmodellpartikkelen skapt disse anomaliene, burde de ha vært nøytrinoer. Forskere vet at både på grunn av partiklene de absorbert i, og fordi ingen annen standardmodellpartikkel ville ha minimal sjanse til å komme seg igjennom Jorden.

Men nøytrinene av denne energien, sa Louis, skal bare ikke komme igjennom Jorden ofte nok til at ANITA eller IceCube kan oppdage dem. Det er ikke slikt de fungerer. Men nøytrino detektorer som ANITA og IceCube oppdager ikke nøytrinoene direkte. I stedet oppdager de partiklene som nøytrinoer nedbryter etter at de kolliderer med jordens atmosfære eller antarktis isen. Og det er andre hendelser som kan generere disse partiklene, utløse detektorer. Denne artikkel antyder sterkt at på disse hendelsene må ha vært supersymmetrisk, sa Louis, selv om han la til at mer data er nødvendige.

Fox og hans kolleger fortsatte å argumentere for at partiklene mest sannsynlig er en slags teoretisk supersymmetrisk partikkel kalt “stau sleptons”. Stau sleptons er supersymmetriske versjoner av en standardmodellpartikkel kalt tau lepton. “S” er for “supersymmetrisk”.

Louis sa at han på dette stadiet mener at spesifisitetsnivået er “litt overdrevet”.

Forfatterne gjør et sterkt statistisk sak at ingen konvensjonell partikkel sannsynligvis vil reise gjennom jorden på denne måten, sa han, men det er ikke nok data for å være sikker. Og det er absolutt ikke nok at de definitivt kunne finne ut hvilken partikkel som gjorde turen.

Fox benekter ikke det.

“Som observatør er det ingen måte at jeg kan vite at dette er en stau,” sa han. “Fra mitt perspektiv går jeg rundt å prøve å oppdage nye ting om universet, jeg kommer over noen virkelig bisarre fenomen, og deretter med mine kolleger, gjør vi litt litteraturssøk for å se om noen har trodd at dette kan skje. Og så hvis vi finner artikler i litteraturen, inkludert en fra 14 år siden som forutsier noe akkurat predikerer dette fenomenet, så blir det meget viktig for meg”.

Han og hans kolleger fant en lang kjede av artikler fra teoretikere som forutsier at stau sleptons kan vise seg som dette i nøytrino observatorier. Og fordi disse papirene ble skrevet før ANITA-anomali, sa Fox at det tyder sterkt på at disse teoretikerne var inne på noe.

Men det er fortsatt mye usikkerhet på den fronten, sa han. Akkurat nå, forskere vet bare at uansett hva denne partikkelen er for noe, den påvirkes veldig svakt med andre partikler, ellers ville den aldri ha overlevd turen gjennom planets tette masse.

 

Hva blir det neste

Hver fysiker som snakket med Live Science, er enige om at forskere må samle inn flere data for å bekrefte at ANITA og IceCube har knekket supersymmetrien. Det er mulig, sier Fox, at når IceCube-forskere graver inn i deres data-arkiver, finner de flere lignende hendelser som tidligere hadde gått ubemerket hen. Louis og Bustamante sa begge at NASA skulle kjøre mer ANITA-flyinger for å se om tilsvarende oppadgående partikler dukker opp.

“For at vi skal være sikre på at disse hendelsene ikke skyldes en ukjente av de ukjente – f.eks., ikke kartlagte egenskaper av Antarktis-isen – vi vil at andre instrumenter også kan oppdage slike hendelser,” sa Bustamante.

På lang sikt, hvis disse resultatene bekreftes og detaljene i hvilken partikkel som forårsaker dem, blir fastsatt, sier flere forskere at ANITA-anomaliten kan avsløre enda mer fysikk ved LHC.

“Enhver observasjon av en ikke-SM-partikkel ville være en “game changer”, fordi det ville fortelle oss hvilken vei vi bør ta etter SM,” sa Ipek. “Typen av [supersymmetrisk] partikkel som dem hevder å ha produsert signalene til, sleptons, er svært vanskelig å produsere og oppdage ved LHC.”

“Så det er veldig interessant å se om de kan bli observert av andre typer eksperimenter. Selvfølgelig, hvis dette er sant, vil vi forvente et trinn av andre [supersymmetriske] partikler som skal observeres ved LHC, noe som vil være en komplementær test på påstandene”.

Med andre ord kan ANITA-anomaliene tilby forskere nøkkelen som er nødvendig for å tilpasse LHC for å avdekke mer supersymmetri. Disse forsøkene kan til og med avsløre en forklaring på mørkt materiale.

Akkurat nå er han bare sulten etter flere data sa Fox.

Opprinnelig publisert på Live Science.

Referanser:

[1] https://arxiv.org/pdf/1809.09615.pdf
[2] https://www.livescience.com/63692-standard-model-broken-supersymmetry-new-physics.html

Vennligst registrer deg for nyheter!

Nå abonnert du på mine nye artikler. Tusen takk!

Det oppstod en feil under din registrering. Vær så snill, prøv på nytt.