Thomas Dalton
0 
5248
1145
Hva om et av de merkeligste, mest foruroligende funnene i partikkelfysikk viste seg å være en illusjon?
Siden mars 2016 har to mystiske signaler fra Antarktis forvirret forskere. To ganger nå ser det ut til at en høyenergipartikkel sprengte rett opp av isen og snublet detektorer på et ballongbåret eksperiment som svevde over hodet. Det er som om partiklene hadde passert hele jorden uskadd. Men det skal være alt annet enn umulig: Ingen av de kjente partiklene, som samlet beskrives i en fysikkmodell kjent som Standardmodellen, kan ta turen på høyt energinivå.
Partikler som ellers er identiske kan bære forskjellige belastninger med energi, og mengden energi en partikkel fører med seg kan endre oppførselen. Spøkelsesaktige, lavenergi-nøytrinoer kan gli gjennom all klodens jordskorpe, smeltet stein og jern uherdet. Men de pakker ikke nok hull for å lage signalene som finnes i Antarktis. Nøytrinoer med høy energi er kraftige nok til å lage signalene. Men siden disse nøytrinoene med høyere energi har større "tverrsnitt" - de påvirker et større område i det omkringliggende rommet - har de en tendens til å slå inn i ting i stedet for å skli gjennom dem. Det er forskjellen mellom å kaste en marmor gjennom et fiskenett og å prøve å skyte en strandball gjennom de samme hullene. Ingen kjente nøytrinoer med høy energi skal kunne passere gjennom hele jorden og komme ut av Antarktis-isen.
I slekt: De 18 største uløste mysteriene innen fysikk
Fysikere kalte de to deteksjonene "ANITA-anomalien", etter NASAs Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA), den luftbårne detektoren som plukket opp signalene. De sammenlignet ANITAs funn med resultater fra IceCube - et mye større neutrinoobservatorium i Antarktis - og fant mer støtte for forestillingen om at de hadde funnet noe ingen hadde sett før. Og de tok på alvor ideen om at ANITA kan ha snublet over noe utover Standardmodellen.
Nå, i en ny artikkel publisert 24. april i tidsskriftet Annals of Glaciology, hevder et felles team av fysikere og glaciologer at ANITA-avviket sannsynligvis ikke er bevis for ny fysikk. I stedet kan det ganske enkelt være et triks av isen. Komplekse, skjulte strukturer i den hvite vidder kan ha reflektert radiobølger på uventede måter og lurt ANITAs radiomottakere til å registrere partikkelen som om den kom fra innsiden av Jorden.
Hvordan avviket fungerte
ANITA var aldri ment å jakte på nye partikler.
"Det er et veldig, veldig enkelt eksperiment på en måte," sa Ian Shoemaker, fysiker ved Virginia Tech og hovedforfatter av det nye papiret. "Alt de har i utgangspunktet er en stor ballong, og festet til bunnen av den er en gjeng med radiomottakere. Og alt de oppdager fra enhver hendelse er et radiosignal."
Men radiosignaler kan inneholde mye informasjon om partikler i det ekstreme høyenergiområdet.
Da ANITA ble bygget, ble den designet for å jakte på en eksotisk slags begivenhet forutsagt av standardmodellen. Tau-nøytrinoer med høy energi - en av tre nøytrino-smaker sammen med elektron- og muon-nøytrinoer - er blant de mest unnvikende partiklene i standardmodellen. Disse nøytrinoene skal treffe Jorden ganske ofte fra det dype rom. Men de er vanskelige å oppdage.
I slekt: 5 unnvikende partikler som kanskje lurer i universet
Når tau-nøytrinoer treffer noe og forfall, produserer de en annen type partikkel kalt en tau. Håpet var at tau nøytrinoer i Antarktis noen ganger ville treffe Jorden i grunne nok vinkler til at de ville forfalle i isen, og produsere en taupartikkel og et karakteristisk, påviselig radiosignal fra tauens passasje gjennom isen. Det radiosignalet har en forutsigbar bølgeform: en stor pigg, en stor dukkert, en mindre pigge og en mindre dukkert - en form som for det meste bestemmes av jordas magnetfelt. Og den ville treffe ANITA nedenfra og til siden, bevis på den blikkvinkelen den slo til planeten med.
ANITA har plukket opp en håndfull slike hendelser, så vel som signaler fra kosmiske stråler som kommer rett ned på Antarktis fra det dype rom. Når det skjer treffer en energisk partikkel - kanskje en proton - atmosfæren over Antarktis, sprenges i en dusj med mindre ladede partikler, og produserer et radiospreng som reflekterer isen før han treffer ANITA. Igjen produserer disse hendelsene den samme bølgeformen som tau nøytrinoene. Formen bestemmes i stor grad av jordas magnetfelt og bærer bare svake hint av partiklene selv, fortalte Shoemaker .
Men ANITA kan fortelle en tau neutrino fra en grunnleggende kosmisk stråle: Når radiobølgene slår isen og spretter opp ved ANITA, snur formene deres. Så i stedet for å se UP-NED-up-down av en tau som glir gjennom isen, ser ANITA den reflekterte NED-UP-down-up av en kosmisk stråle. Og disse kosmiske strålesignalene kan treffe ANITA fra alle retninger når de spretter av isen.
De to ANITA-anomaliene passet ikke inn i noen kategori. I begge tilfeller oppdaget ANITA den un-speilede bølgeformen som ville antyde en tau neutrino, UP-NED-up-down. Men bølgen slo ANITA i en vinkel så skarp at for å ha kommet uten å sprette ville den måtte passere gjennom et umulig tykt jordstykke.
Det var et signal som ANITAs designere ikke forventet da de bygde detektoren, og den antydet muligheten for at nye, ukjente partikler sprengte seg opp fra Antarktis.
Anomali eller illusjon?
Etter mange års studier har fysikere ikke fått noen lett forklaring på avvikene, sa Derek Fox, en nøytrinokspert ved Pennsylvania State University. Fox, medlem av IceCube-samarbeidet, var ikke involvert i ANITA-eksperimentet eller den nye artikkelen.
Fysikere hadde foreslått noen uvanlige forklaringer som ikke ville bryte standardmodellen. Et fenomen kjent som "sammenhengende overgangsstråling" kan ha rotet med radiobølgene som kom fra en kosmisk stråledusj, antydet to teoretikere i mars 2019. Eller kanskje signalene kom fra mørke materieeffekter i et speilunivers, et papir fra mars 2018 foreslått.
I slekt: 5 grunner til at vi kan leve i en multiverse
Men med å forhindre disse mer tankelevende forklaringene, fortalte Fox, "atmosfæriske eller islige anomalier er ganske mye det du sitter igjen med" før en ny partikkel blir den eneste forklaringen.
(Det er også mulig at noe instrumentalt problem med ANITA kan ha gitt signalet han sa, men det er tvilsomt gitt hvor teknisk dyktig ANITA-teamet er.)
Fortsatt, sa Fox, var det ennå ingen som hadde gitt en overbevisende forklaring på hvordan luft- eller iseffekter kunne produsere ANITA-anomaliene. Det var før Shoemaker-teamet kom med sin uvanlige kombinasjon av partikkelfysikere, radioeksperter og glaciologer.
Forfatterne av den nye studien fremførte et greit argument: Når radiobølger som passerer gjennom luften spretter av en tett gjenstand, som det øverste laget av is, vipper deres bølgeformer slik ANITA forventer. Men det er andre slags refleksjoner som kan lure ANITAs sensorer.
Når en bølge som passerer gjennom et stoff med høy tetthet (som stein) treffer et stoff med lavere tetthet (som vann), vil noe av bølgenes energi reflektere tilbake. Men den refleksjonen ser annerledes ut enn den som oppstår når en bølge reiser fra et miljø med lav tetthet (som luft) til et objekt med høy tetthet (som is).
Når du reiser ned fra Antarktishimmelen mot jordens sentrum, som dusjen fra en kosmisk stråle, vil du stort sett møte det tettere miljøet etter det andre. Luften blir tykkere og tykkere. Så slo du is. Så slo du rock. Så havner du i planetens varme, tette sentrum. Ved hver av disse overgangene ville en sprettbølge se ut akkurat som ANITA forventer.
Men det er funksjoner i isen som ikke passer til det mønsteret, påpekte Shoemaker og kollegene. Snødekte sprekker, regioner av stresset krystall kjent som "isstofflag" og innsjøer med flytende vann begravd under den frosne overflaten, kan alle gjenspeile en kosmisk stråles radiosignal uten å speile det.
Men subglacial innsjøer og snødekte sprekker er ikke vanlige nok til å være sannsynlige forklaringer på ANITA-hendelsen, fant forskerne. Isstoffer, og en annen is med lav tetthet kjent som "vindskorpe", kan forklare anomaliene, sa de. Men glaciologer har ikke et godt grep om hvor vanlige de er i regionen. To funksjoner skiller seg imidlertid ut som sannsynlige forklaringer, skrev Shoemaker og teamet hans.
Den første er firn, en type frossent vann som ikke er så mykt og løst som nysnø, men som ennå ikke er blitt komprimert til en eneste isblokk. Faste lag smelter, beveger seg rundt og fryser om og om igjen, og produserer lag med høy og lav tetthet. Ingen har sett etter firn i regionene da ANITA oppdaget anomaliene, men den er utbredt i Antarktis og kan gjenspeile radiobølger uten å speile dem..
Den andre muligheten er ho. Lag med tykk snø og is vil noen ganger skjule svakere, smuldrende lag med is som er lavere tetthet enn isen over den. Fjellklatrere kjenner og frykter denne isen, ifølge Ulyana Horodyskyj, en glaciolog ved Colorado College som ikke var involvert i ANITA eller Shoemaker's paper. Når svake høysjikt glir på fjellsidene, kan ishøyden kollapse i et sus - en hendelse kjent som et skred. Igjen, det er ennå ikke noe direkte bevis for denne typen dobbeltlag i ANITA-området. Men ho er utbredt i Antarktis, og kan forklare en uvanlig refleksjon.
I slekt: Antarktis: Den isbelagte bunnen av verden på bilder
Ikke noe av det er et bevis på at ANITA-teamet tok feil av noe rart is for en pågående partikkel, skrev forfatterne. Men det viser at ANITA alene sannsynligvis ikke kan skille de to så godt som fysikere trodde.
"Fremtidige eksperimenter skal ikke bruke faseinversjon [bølgeformens bytte fra OPP NED-opp-ned til NED-UP-ned-opp] som et eneste kriterium for å skille mellom nedadgående og oppadgående hendelser, med mindre refleksjonsegenskapene under overflaten er godt forstått, "skrev forfatterne.
Antarktis er med andre ord for komplisert til å behandle som et enkelt speil uten nøye studier. Krystallene begravd under overflaten kan spille triks. Og de triksene kan kanskje forklare avviket.
"Is er is - til det ikke er det, ikke sant?" Horodyskyj fortalte .
Glaciologer bruker radiobølger for å studere is hele tiden, sa hun. Gjennomtrengende radar kan avsløre funksjoner som ikke er synlige på overflaten. Men disse signalene er ofte rotete og det å tolke dem kan være mer en kunst enn en vitenskap.
"Du har alle disse forskjellige lag med tettheter som kan kaste hele signalet," sa Horodyskyj. "Hvis du har metall, rusk, steiner, vann og is, er de veldig enkle å skille fra hverandre. De har alle sitt eget signal eller fingeravtrykk. Men når du først har kommet inn på disse detaljene om is, er det virkelig fascinerende hvordan til og med isens mykhet endrer signalet. "
Det er ikke overraskende, sa hun, at disse subtile isfunksjonene kan skape en illusjon av ny fysikk.
Åpne spørsmål
Fysikere må se mer før de er overbevist på den ene eller den andre måten.
"Det er en mulig forklaring," sa Peter Gorham, fysiker ved University of Hawaii ved Mānoa og leder for ANITA-samarbeidet, "men etter min mening ganske usannsynlig."
Den mest forvirrende implikasjonen av Shoemaker's papir, sa Fox, er at uansett hvilken isfunksjon som kan ha skapt avviket, reflekterte signalet perfekt.
Under normale omstendigheter spretter ikke en bølge som spretter av noe rent - enten det er speilvendt eller ikke. Ulike bølgelengder gjenspeiles vanligvis på forskjellige måter, sa Fox, og etterlater spor av det fysikere kaller "prosessering."
"Saken er at jeg så på bølgen selv," sa Fox, "og jeg så ikke noe som så på meg som prosessering."
Hvis noe reflekterte bølgen tilbake til ANITA, gjorde det det uten å etterlate noen sporbare spor.
"Signalet er veldig rent, ganske i tråd med andre normale kosmiske stråler vi har observert. Det er ingen bevis i dataene for noen betydelige forstyrrelser av signalet utenfor en normal refleksjon," fortalte Gorham .
Shoemaker-papiret tilbyr en forklaring på dette; med riktig tetthetsstruktur, kan en reflektor være ensartet over forskjellige bølgelengder til å behandle et rent signal. Det vil være som å ha et super rent speil.
I denne rene speilmodellen hadde det faktisk vært to radioutbrudd for hver ANITA-anomali. Den ene, den "primære" refleksjonen, ville blitt snudd på den måten ANITA forventer. Men hvis overflaten var skrånende ordentlig, ville den sprette bort fra ANITAs sensorer. Bare det andre sprenget, det rene, ikke-speilede ekkoet, ville ha rammet ANITAs mottakere.
"Selv om det er mulig, ser det ut til at dette krever en tilfeldighet som er veldig vanskelig å vurdere: et underjordisk lag med akkurat de rette egenskapene, kombinert med en overflatehelling også med de riktige egenskapene," sa Gorham.
Skomaker sa at da han begynte å studere ANITA-anomalien, håpet han å finne bevis for ny fysikk; han hadde ikke til hensikt å falske funnet.
På dette tidspunktet sa han imidlertid: "Hvis noen skulle spørre meg: 'Er dette en slags ny steril neutrino eller aksjon eller noe [utover Standard Model-partikler], eller er det is?' Jeg må si: 'Det er is.' Inversjoner av tetthetsdifferanser er ting vi vet eksisterer, uten å kreve ny fysikk. Så hvis jeg måtte satse, var det det jeg ville lagt pengene mine på. "
Ved å vise nøye hvor utbredt disse slags funksjoner er i ANITA-regionen, gjorde Shoemaker-teamet en sterk sak om at en slags uvanlig refleksjon kunne ha forårsaket ANITA-anomalien, sa Fox. Men det er ennå ikke en knockout-trøkk for ny fysikk. For å bekrefte eller motbevise Shoemaker-papiret, trenger du direkte bevis for denne typen uvanlige refleksjoner som skjer i Antarktis.
Så langt, sa Gorham, er bevisene til fordel for ikke noe rart i isen.
"ANITA-gruppen har gjort mange studier av Antarktis-is, og har publisert flere artikler også i glaciologilitteraturen, og har gått tilbake i et tiår eller mer," sa han. "Vi har studert i detalj via satellitt-altimetri og radarkart over stedene til disse hendelsene, og spesielt for denne ser det ut til å ikke være noe uvanlig."
Han la til at ANITA-samarbeidet har foreløpige resultater fra en foreløpig upublisert studie som ser ut til å motsi det Shoemaker og hans coauthors foreslo.
Shoemaker-papiret foreslo å sende et team til stedene for anomaliene og sprette radiobølger av isen for å se hva som ville skje.
Horodyskyj var enig i den tilnærmingen.
"Det du trenger er bakken sannhet," sa hun.
Denne delen av Antarktis er uvanlig, selv for det tomme kontinentet, sa hun. Når hun tittet gjennom glaciologilitteraturen, sa hun, fant hun lite direkte data om sminke av isen i regionen der ANITA oppdaget anomaliene. Få iskjerner eller andre studier på bakken gir et tilstrekkelig tydelig bilde av isen under jorden.
"Du må finne ut: Hva er fotavtrykket til eksperimentet fra luften som de gjorde?" sa hun og henviste til området med is som den pågående partikkelen så ut til å komme fra. "Hvis det er 100 x 100 meter, vil du gjøre nøyaktig det samme på bakken: 100 x 100 meter, ristet ut, sette markører og hjørnene, og så vil du ta ut radaren."
Å bære en radar sakte over bakken, sa hun, ville gi nok detaljer til å virkelig forstå isen. Avhengig av logistikken, kan du gå den over landskapet, gå på ski eller bruke en snøscooter.
Kartlegging av området stykkevis kan avsløre dybden av overganger til gletsjere og andre detaljer som ikke kan oppdages langveisfra, sa hun.
"Oppe i området der de jobber, er det ganske tørt, slik at fyringsnivået kan strekke seg veldig dypt sammenlignet med deler langs kysten der det er mye mer smelting," sa hun. "Og så ville den andre tingen jeg ville elske å gjøre midt i det rutenettet [ta] en iskjerne."
Et langt, fysisk isrør kunne avsløre for det blotte øye uventede lag som kan rote med radiosignaler, sa hun.
Inntil den ekstra forskningen er gjort, sier Horodyskyj og Fox, vil det være vanskelig å vite med sikkerhet om Shoemakers forklaring kan ødelegge ANITA-avviket, eller om disse nye funnene utelukkes helt.
- Hva er det? Dine fysiske spørsmål besvart
- De 11 største ubesvarte spørsmålene om mørk materie
- De 15 rare galakene i universet vårt
Opprinnelig publisert på .
TILBUD: Spar 45% på 'Slik fungerer det' Alt om plass 'og' Alt om historie '!
I en begrenset periode kan du tegne et digitalt abonnement på et av våre mest solgte vitenskapsmagasiner for bare 2,38 dollar per måned, eller 45% avslag på standardprisen for de første tre månedene. Se tilbud
Se alle kommentarer (4)