Den beste modellen vår for partikkelfysikk sprenger i sømmene når den sliter med å inneholde all rare i universet. Nå virker det mer sannsynlig enn noen gang at det kan dukke opp, takket være en rekke rare hendelser i Antarktis ...
Døden av dette regjerende fysikkparadigmet, Standard Model, er blitt spådd i flere tiår. Det er antydninger til problemene i fysikken vi allerede har. Merkelige resultater fra laboratorieforsøk antyder flimring av spøkelsesaktige nye arter av nøytrinoer utover de tre som er beskrevet i standardmodellen. Og universet virker fullt av mørk materie som ingen partikkel i Standardmodellen kan forklare.
Men nyskapende bevis kan en dag knytte de vage datastrengene sammen: Tre ganger siden 2016 har ultrahøye energipartikler sprengt seg gjennom isen fra Antarktis og satt av detektorer i Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) eksperimentet, en maskin dinglende fra en NASA-ballong langt over den frosne overflaten.
Som Live Science rapporterte i 2018, stemmer ikke disse hendelsene - sammen med flere ekstra partikler som ble oppdaget senere ved det nedgravde antarktiske neutrinoobservatoriet IceCube - ikke den forventede oppførselen til noen standardmodellpartikler. Partiklene ser ut som nøytrinoer med høy energi. Men nøytrinoer med høy energi skal ikke kunne passere jorden. Det tyder på at en annen type partikkel - en som aldri har blitt sett før - kaster seg ut i den kalde sørlige himmelen.
Nå, i en ny artikkel, har et team av fysikere som jobber med IceCube, satt stor tvil om en av de siste gjenværende standardmodell-forklaringene for disse partiklene: kosmiske akseleratorer, gigantiske nøytrino-kanoner som gjemmer seg i verdensrommet som med jevne mellomrom ville avfyrt intense neutrino-kuler på jorden. En samling hyperaktive nøytrinopistoler et sted på vår nordlige himmel kunne ha sprengt nok nøytrinoer i Jorden til at vi kunne oppdage partikler som skyter ut fra den sørlige spissen av planeten vår. Men IceCube-forskerne fant ingen bevis for den samlingen der ute, noe som antyder at det må trengs ny fysikk for å forklare de mystiske partiklene.
For å forstå hvorfor, er det viktig å vite hvorfor disse mystiske partiklene er så foruroligende for standardmodellen.
Neutrino er de svakeste partiklene vi vet om; de er vanskelige å oppdage og nesten masseløse. De passerer gjennom planeten vår hele tiden - kommer mest fra solen og kolliderer sjelden, om noen gang, med protonene, nøytronene og elektronene som utgjør kroppene våre og skitten under føttene.
Men nøytrinoer med høy energi fra dype rom er forskjellige fra kusiner med lav energi. Mye sjeldnere enn nøytrinoer med lavenergi, de har bredere "tverrsnitt", noe som betyr at det er mer sannsynlig at de kolliderer med andre partikler når de passerer gjennom dem. Oddsen for at en ultrahøyenerginøytrino gjør det hele veien gjennom jorden intakt, er så lave at du aldri ville forvente å oppdage at det skjer. Derfor var ANITA-deteksjonene så overraskende: Det var som om instrumentet hadde vunnet i lotto to ganger, og så hadde IceCube vunnet den et par ganger til så snart det begynte å kjøpe billetter.
Og fysikere vet hvor mange lodd de måtte jobbe med. Mange kosmetiske nøytrinoer med ultrahøy energi kommer fra samspillet mellom kosmiske stråler med den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB), den svake ettergløden fra Big Bang. Noen ganger samhandler de kosmiske strålene med CMB på akkurat den rette måten å fyre av høyenergipartikler på Jorden. Dette kalles "fluksen", og det er det samme over hele himmelen. Både ANITA og IceCube har allerede målt hvordan den kosmiske nøytrino-fluksen ser ut for hver av sensorene deres, og den produserer bare ikke nok høyeenergi-nøytrinoer som du kan forvente å oppdage en neutrino som flyr ut av jorden på en av detektorene en gang .
"Hvis hendelsene som ble oppdaget av ANITA tilhører denne diffuse nøytrino-komponenten, burde ANITA ha målt mange andre hendelser i andre høydevinkler," sa Anastasia Barbano, fysiker fra University of Geneva som jobber på IceCube.
Men i teorien kunne det ha vært ultrahøyenergiske nøytrino-kilder utover den himmelfulle fluxen, sa Barbano til Live Science: de nøytrino-kanonene eller kosmiske akseleratorer.
"Hvis det ikke er snakk om nøytrinoer produsert ved samspillet mellom kosthiske stråler med høy energi og CMB, kan de observerte hendelsene enten være nøytrinoer produsert av individuelle kosmiske akseleratorer i et gitt tidsintervall" eller noen ukjent jordisk kilde, Barbano sa.
Blazars, aktive galaktiske kjerner, gammastråle-bursts, starburst-galakser, galaksefusjoner og magnetiserte og hurtigspinnende nøytronstjerner er alle gode kandidater for den slags akseleratorer, sa hun. Og vi vet at kosmiske nøytrino-akseleratorer eksisterer i verdensrommet; i 2018 sporet IceCube en nøytrino med høy energi tilbake til en blazar, en intens stråle av partikler som kommer fra et aktivt svart hull i sentrum av en fjern galakse.
ANITA plukker bare opp de mest ekstreme nøytrinoene med høy energi, sa Barbano, og hvis de oppoverflyvende partiklene var kosmisk-akselerator-boostede nøytrinoer fra standardmodellen - mest sannsynlig tau-nøytrinoer - så burde bjelken ha kommet med en dusj av lavere -energipartikler som ville ha utløst IceCube's detektorer med lavere energi.
"Vi så etter hendelser i syv år med IceCube-data," sa Barbano - hendelser som samsvarte med vinkelen og lengden på ANITA-deteksjonene, som du kan forvente å finne om det var et betydelig batteri med kosmiske neutrinopistoler der ute og skjøt på jorden å produsere disse forestående partiklene. Men ingen dukket opp.
Resultatene deres eliminerer ikke muligheten for en gasskilde der ute. Men de "begrenser" omfanget av muligheter, og eliminerer alle de mest sannsynlige scenariene som involverer kosmiske akseleratorer og mange mindre sannsynlige.
"Meldingen vi ønsker å formidle til publikum er at en astrofysisk standardmodell ikke fungerer uansett hvordan du skiver den," sa Barbano.
Forskere vet ikke hva det neste er. Verken ANITA eller IceCube er en ideell detektor for de nødvendige oppfølgingssøkene, sa Barbano, og etterlater forskerne med svært lite data å basere sine forutsetninger om disse mystiske partiklene. Det er litt som å prøve å finne ut av bildet på et gigantisk puslespill fra bare en håndfull brikker.
Akkurat nå ser det ut til at mange muligheter passer til de begrensede dataene, inkludert en fjerde art "steril" neutrino utenfor standardmodellen og en rekke teoretiserte typer mørk materie. Noen av disse forklaringene ville være revolusjonerende .hjh Men ingen er sterkt favorisert ennå.
"Vi må vente til neste generasjon nøytrino-detektorer," sa Barbano.
