FoodPro Preloader

Bizarre partikler fortsetter å fly ut av Antarktis is, og de kan knuse moderne fysikk


Den ballongbårne antarktiske impulsive transientantennen (ANITA), som er vist her kort før en lansering i 2014, er et fysikkforsøk som har oppdaget mystiske utslipp fra dypt inne i Antarktis is. Det er noe mystisk å komme opp fra den frosne bakken i Antarktis, og det kan bryte fysikk som vi kjenner det. Fy

Den ballongbårne antarktiske impulsive transientantennen (ANITA), som er vist her kort før en lansering i 2014, er et fysikkforsøk som har oppdaget mystiske utslipp fra dypt inne i Antarktis is.

Det er noe mystisk å komme opp fra den frosne bakken i Antarktis, og det kan bryte fysikk som vi kjenner det.

Fysikere vet ikke hva det egentlig er. Men de vet at det er en slags kosmisk stråle-en høysenergipartikkel som sprenge seg gjennom rommet, inn i jorden og tilbake ut igjen. Men partikelfysikere vet om-samlingen av partikler som utgjør hva forskere kaller standardmodellen (SM) av partikkelfysikk - burde ikke kunne gjøre det. Visst, det er lav-energi nøytriner som kan pierce gjennom miles på miles av rock upåvirket. Men høy-energi nøytriner, så vel som andre højenergipartikler, har "store tverrsnitt". Det betyr at de nesten alltid vil krasje inn i noe snart etter å zippe inn i jorden og aldri gjøre det ut på den andre siden.

Og likevel, siden mars 2016 har forskere vært forvirrende over to hendelser i Antarktis hvor kosmiske stråler brøt ut fra jorden, og ble oppdaget av NASAs antarktiske impulsive transientantenn (ANITA) - en ballongbåret antenne som drev over det sydlige kontinentet.

ANITA er designet for å jakte kosmiske stråler fra verdensrommet, slik at høy-energi-neutrino-fellesskapet svirret med spenning når instrumentet oppdaget partikler som syntes å sprengte opp fra jorden i stedet for å zoome ned fra rommet. Fordi kosmiske stråler ikke burde gjøre det, begynte forskerne å lure på om disse mystiske bjelkene er laget av partikler som aldri er sett før.

Siden da har fysikere foreslått alle slags forklaringer for disse "oppadgående" kosmiske strålene, fra sterile nøytriner (neutrinoer som sjelden noen gang slår seg til materie) til "atypiske mørke materielle fordelinger inne i jorden", og refererer til den mystiske form for materie som ikke gjør Det virker ikke med lys

Alle forklaringene var spennende, og foreslo at ANITA kunne ha oppdaget en partikkel som ikke ble regnskapsført i standardmodellen. Men ingen av forklaringene viste utvilsomt at noe mer vanlig ikke kunne ha forårsaket signalet til ANITA.

Et nytt papir lastet opp i dag (26. september) til preprint-serveren arXiv endrer det. I det viste et team av astrofysikere fra Penn State University 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 neutrino 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-datasettene, beregnede Penn State-forskerne at uansett partikkel sprer seg opp fra Jorden, har den mye mindre enn en 1-i-3, 5 millioner sjanse til å være en del av standardmodellen. (I tekniske, statistiske termer hadde resultatene deres konfidensialitet på 5, 8 og 7, 0 sigma, avhengig av hvilken av deres beregninger du ser på.)

Bryter fysikk

Derek Fox, lederforfatteren på det nye papiret, 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 ikke stor mening, "sa Fox til Live Science, " men resultatet av [ANITA] er veldig spennende, så jeg begynte å sjekke på det. Jeg begynte å snakke med kontorens nabo Steinn Sigurdsson [den andre forfatteren på papiret, som også er i Penn State] om hvorvidt vi kanskje kan gi mer troverdige forklaringer enn de papirene 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 skiftet for fysikk.

"Det er det som virkelig fikk meg til å gå, og ser på ANITA-hendelsene med største alvor, " sa han og la videre: "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, har eksperimentell, partikkelfysikk med høy energi vært stående de siste årene. Da 17-mils (27 kilometer), $ 10 milliarder Large Hadron Collider (LHC) ble fullført på grensen mellom Frankrike og Sveits i 2009, trodde forskerne at det ville låse opp mysteriene til supersymmetri-den mystiske, teoretiske klassen av partikler som forskerne mistenker kan eksistere utenfor dagens fysikk, men hadde aldri oppdaget. Ifølge supersymmetri har hver eksisterende partikkel i standardmodellen en supersymmetrisk partner. Forskere mistenker at disse samarbeidspartnene eksisterer fordi massene av kjente partikler er ut av wack-ikke symmetriske 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 dagens forskning. "For eksempel kan den ikke regne for eksistensen av mørk materie, [explainmathematical weirdness in] neutrino masser, eller universets materielle antimattersymmetri."

I stedet bekreftet LHC Higgs boson, den endelige uoppdagede 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, rundt samme tid som Fox først ble interessert i ANITA-dataene.

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

"Det var klart fra starten at hvis ANITA-anomaløse hendelser skyldes partikler som hadde spredt seg gjennom tusenvis av kilometer av jord, så var disse partiklene sannsynligvis ikke SM-partikler, " sa Mauricio Bustamante, en astrofysiker ved Niels Bohr Institute at Københavns Universitet, som ikke var forfatter på det nye papiret.

"Papiret som dukket opp i dag, er den første systematiske beregningen av hvor usannsynlig at disse hendelsene skyldtes SM neutrinos, " la han til. "Resultatet deres sterkt misunner en SM-forklaring."

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

Hvis standardmodellpartikkelen opprettet disse anomaliene, burde de ha vært neutrinoer. Forskere vet at både på grunn av partiklene de forfalt i, og fordi ingen annen standardmodellpartikkel ville ha et fragment av en sjanse i en million for å gjøre det gjennom Jorden.

Men nøytrinene av denne energien, sa Louis, skal bare ikke gjøre det gjennom jorden ofte nok til at ANITA eller IceCube kan oppdage. Det er ikke hvordan de jobber. Men neutrino detektorer som ANITA og IceCube oppdager ikke neutrinos direkte. I stedet oppdager de partiklene som neutriner faller ned i etter at de smadrer inn i jordens atmosfære eller antarktis is. Og det er andre hendelser som kan generere disse partiklene, utløse detektorer. Dette papiret tyder sterkt på at disse hendelsene må ha vært supersymmetrisk, sa Louis, selv om han la til at flere 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" (virkelig).

Louis sa at han på dette stadiet mener at spesifisitetsnivået er "litt av en strekk".

Forfatterne gjør et sterkt statistisk tilfelle 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 bestred ikke det.

"Som observatør er det ingen måte at jeg kan vite at dette er et stau, " sa han. "Fra mitt perspektiv går jeg trawling 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 noen gang har trodd at dette kan skje. Og så hvis vi finner papirer i litteraturen, inkludert en fra 14 år siden som forutsier noe akkurat som dette fenomenet, så blir det virkelig høy vekt fra meg. "

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

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

Hva blir det neste

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

"For at vi skal være sikre på at disse hendelsene ikke skyldes ukjente ukjente ukjente egenskaper i Antarktis-isen, vil vi at andre instrumenter også kan oppdage slike hendelser, " sa Bustamante.

På lang sikt, hvis disse resultatene blir bekreftet og detaljene i hvilken partikkel som forårsaker dem, blir spikret, sa flere forskere at ANITA-anomali kan låse opp enda mer fysikk på LHC.

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

"Så det er veldig interessant om de kan observeres av andre typer eksperimenter. Selvfølgelig, hvis dette er sant, vil vi forvente en stige av andre [supersymmetriske] partikler som skal observeres ved LHC, som vil være en komplementær test av kravene. "

Med andre ord kan ANITA-anomaliene tilby forskere nøkkelen som er nødvendig for å ordne LHC for å låse opp mer supersymmetri. Disse forsøkene kan til og med vise seg en forklaring på mørkt materiale.

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

Copyright 2018 LiveScience.com, et kjøpsselskap. Alle rettigheter reservert. Dette materialet kan ikke bli publisert, kringkastet, omskrevet eller omfordelt.