Nasz najlepszy model fizyki cząstek pęka w szwach, gdy stara się powstrzymać wszystkie dziwności we wszechświecie. Teraz bardziej niż kiedykolwiek wydaje się prawdopodobne, że może pęknąć, dzięki serii dziwnych wydarzeń na Antarktydzie…
Śmierć tego panującego paradygmatu fizyki, Modelu Standardowego, była przewidywana od dziesięcioleci. W fizyce, którą już mamy, są ślady jej problemów. Dziwne wyniki eksperymentów laboratoryjnych sugerują migotanie nowych widmowych gatunków neutrin poza trzema opisanymi w Modelu Standardowym. A wszechświat wydaje się pełen ciemnej materii, której żadna cząstka w Modelu Standardowym nie jest w stanie wyjaśnić.
Ale ostatnie kuszące dowody mogą pewnego dnia powiązać te mgliste wątki danych: trzy razy od 2016 r. Cząstki o bardzo wysokiej energii wybuchły przez lód Antarktydy, uruchamiając detektory w eksperymencie Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA), maszyna zwisająca z balonu NASA daleko nad zamarzniętą powierzchnią.
Jak donosi Live Science w 2018 r., Wydarzenia te - wraz z kilkoma dodatkowymi cząsteczkami wykrytymi później w zakopanym obserwatorium neutrino antarktycznego IceCube - nie pasują do oczekiwanego zachowania żadnych cząstek modelu standardowego. Cząsteczki wyglądają jak neutrina o bardzo wysokiej energii. Ale neutrina o ultra wysokiej energii nie powinny być w stanie przejść przez Ziemię. To sugeruje, że jakiś inny rodzaj cząstek - taki, którego nigdy wcześniej nie widziano - leci na zimne południowe niebo.
Teraz, w nowym artykule, zespół fizyków pracujących nad IceCube poddał w wątpliwość jedno z ostatnich pozostałych wyjaśnień Modelu Standardowego dla tych cząstek: kosmiczne akceleratory, gigantyczne działa neutrino ukrywające się w przestrzeni, które okresowo strzelałyby intensywnymi pociskami neutrino na Ziemię. Kolekcja hiperaktywnych dział neutrin gdzieś na naszym północnym niebie mogłaby wystrzelić wystarczająco dużo neutrin na Ziemię, aby wykryć cząstki wystrzeliwujące z południowego krańca naszej planety. Ale badacze IceCube nie znaleźli żadnych dowodów na istnienie tej kolekcji, co sugeruje, że nowa fizyka musi być potrzebna do wyjaśnienia tajemniczych cząstek.
Aby zrozumieć dlaczego, ważne jest, aby wiedzieć, dlaczego te tajemnicze cząstki są tak niepokojące dla Modelu Standardowego.
Neutrina to najsłabsze cząstki, o których wiemy; są trudne do wykrycia i prawie bezmasowe. Cały czas przepływają przez naszą planetę - głównie ze słońca i rzadko, jeśli w ogóle, zderzają się z protonami, neutronami i elektronami, które tworzą nasze ciała i ziemię pod stopami.
Ale neutrina o bardzo wysokiej energii z kosmosu różnią się od swoich kuzynów o niskiej energii. Znacznie rzadziej niż neutrina o niskiej energii, mają szersze „przekroje”, co oznacza, że częściej zderzają się z innymi cząsteczkami, gdy przez nie przechodzą. Szanse na to, że neutrino o ultra wysokiej energii, które przemierzą całą Ziemię w stanie nienaruszonym, są tak niskie, że nigdy nie spodziewałbyś się, że to nastąpi. Dlatego detekcje ANITA były tak zaskakujące: to było tak, jakby instrument dwukrotnie wygrał na loterii, a potem IceCube wygrał ją jeszcze kilka razy, gdy tylko zaczął kupować bilety.
A fizycy wiedzą, z iloma loteriami musieli pracować. Wiele kosmicznych neutrin o ultra wysokiej energii pochodzi z interakcji promieni kosmicznych z kosmicznym tłem mikrofalowym (CMB), słabą poświatą Wielkiego Wybuchu. Od czasu do czasu te promienie kosmiczne wchodzą w interakcje z CMB we właściwy sposób, aby wystrzelić wysokoenergetyczne cząsteczki na Ziemię. Nazywa się to „strumieniem” i jest takie samo na całym niebie. Zarówno ANITA, jak i IceCube już zmierzyły, jak wygląda strumień neutrin kosmicznych dla każdego z ich czujników, i po prostu nie wytwarza wystarczającej ilości neutrin wysokoenergetycznych, których można by oczekiwać, aby wykryć neutrino wylatujące z Ziemi przy każdym detektorze nawet raz .
„Jeśli zdarzenia wykryte przez ANITA należą do tego rozproszonego składnika neutrin, ANITA powinna była zmierzyć wiele innych zdarzeń pod innymi kątami wysokości”, powiedziała Anastasia Barbano, fizyk z Uniwersytetu Genewskiego, który pracuje na IceCube.
Ale teoretycznie mogą istnieć źródła neutrin o ultrawysokiej energii poza zasięgiem całego nieba, Barbano powiedział Live Science: te działa neutrin lub kosmiczne akceleratory.
„Jeśli nie jest to kwestia neutrin wytwarzanych przez interakcję ultrafioletowych promieni kosmicznych z CMB, wówczas obserwowane zdarzenia mogą być albo neutrinami wytwarzanymi przez poszczególne kosmiczne akceleratory w danym przedziale czasu” lub jakimś nieznanym ziemskim źródłem, Powiedział Barbano.
Blazary, aktywne jądra galaktyczne, rozbłyski gamma, galaktyki wybuchów gwiazd, fuzje galaktyk oraz magnetyzowane i szybko wirujące gwiazdy neutronowe są dobrymi kandydatami na tego rodzaju akceleratory, powiedziała. I wiemy, że kosmiczne akceleratory neutrin istnieją w kosmosie; w 2018 roku IceCube wyśledził wysokoenergetyczne neutrino z powrotem do blazara, intensywnego strumienia cząstek pochodzących z aktywnej czarnej dziury w centrum odległej galaktyki.
ANITA odbiera tylko najbardziej ekstremalne wysokoenergetyczne neutrina, powiedział Barbano, a jeśli latające w górę cząstki były neutrinami wzmożonymi przez akcelerator kosmiczny z Modelu Standardowego - najprawdopodobniej neutrina tau - to wiązka powinna przyjść z deszczem niższych -cząsteczki energii, które uruchomiłyby detektory niższej energii IceCube.
„Szukaliśmy wydarzeń w ciągu siedmiu lat danych IceCube” - powiedział Barbano - zdarzeń, które pasowały do kąta i długości detekcji ANITA, których można się spodziewać, gdyby istniała znaczna bateria kosmicznych dział neutrinowych strzelających na Ziemię do produkcji tych rosnących cząstek. Ale żaden się nie pojawił.
Ich wyniki nie eliminują całkowicie możliwości źródła akceleratora. Ale „poważnie ograniczają” zakres możliwości, eliminując wszystkie najbardziej prawdopodobne scenariusze z udziałem kosmicznych akceleratorów i wiele mniej prawdopodobnych.
„Przesłanie, które chcemy przekazać opinii publicznej, brzmi: wyjaśnienie astrofizyczne modelu standardowego nie działa bez względu na to, jak je pokroisz”, powiedział Barbano.
Badacze nie wiedzą, co będzie dalej. Barbano powiedział, że ani ANITA, ani IceCube nie są idealnym wykrywaczem potrzebnych dalszych poszukiwań, pozostawiając badaczom bardzo mało danych, na których mogliby oprzeć swoje przypuszczenia na temat tych tajemniczych cząstek. To trochę jak próba rozgryzienia obrazu na gigantycznej układance z zaledwie kilku kawałków.
Obecnie wydaje się, że wiele możliwości pasuje do ograniczonych danych, w tym czwarty gatunek „sterylnego” neutrina poza Modelem Standardowym i szereg teoretycznych rodzajów ciemnej materii. Każde z tych wyjaśnień byłoby rewolucyjne. Hjh Ale żadne z nich nie jest jeszcze uprzywilejowane.
„Musimy czekać na następną generację detektorów neutrin” - powiedział Barbano.
