Vores bedste model for partikelfysik sprænger i sømmene, da den kæmper for at indeholde al underheden i universet. Nu virker det mere sandsynligt end nogensinde, at det kan sprænge takket være en række mærkelige begivenheder i Antarktis ...
Døden af dette regerende fysikparadigme, Standardmodellen, er blevet forudsagt i årtier. Der er antydninger til dets problemer i den fysik, vi allerede har. Mærkelige resultater fra laboratorieeksperimenter antyder flimring af spøgelsesrige nye arter af neutrinoer ud over de tre, der er beskrevet i standardmodellen. Og universet ser ud til at være fuld af mørk stof, som ingen partikler i standardmodellen kan forklare.
Men nylige forbløffende beviser kan muligvis en dag binde de vage dataartringer sammen: Tre gange siden 2016 har ultrahøjenergiske partikler sprængt gennem isen fra Antarktis, idet detektorer i det antarktiske impulsive transient antenne (ANITA) eksperiment, en maskine dinglende fra en NASA-ballon langt over den frosne overflade.
Som Live Science rapporterede i 2018, matcher disse begivenheder - sammen med flere yderligere partikler senere på det nedgravede Antarktiske neutrinoobservatorium IceCube - ikke den forventede opførsel af nogen standardmodelpartikler. Partiklerne ligner neutrinoer med meget høj energi. Men neutrinoer med høj energi skal ikke være i stand til at passere jorden. Det tyder på, at en anden form for partikel - en, der aldrig er blevet set før - kaster sig ud i den kolde sydlige himmel.
I en ny artikel har et team af fysikere, der arbejder på IceCube, rejst stor tvivl om en af de sidste resterende standardmodel-forklaringer til disse partikler: kosmiske acceleratorer, kæmpe neutrino-kanoner, der gemmer sig i rummet, som med jævne mellemrum affyrede intense neutrino-kugler på Jorden. En samling hyperaktive neutrino-kanoner et eller andet sted på vores nordlige himmel kunne have sprængt nok neutrinoer ind i Jorden til at vi kunne registrere partikler, der skyder ud fra den sydlige spids af vores planet. Men IceCube-forskerne fandt ikke noget bevis for den samling derude, hvilket antyder, at der er behov for ny fysik for at forklare de mystiske partikler.
For at forstå hvorfor, er det vigtigt at vide, hvorfor disse mystiske partikler er så foruroligende for standardmodellen.
Neutrinoer er de svageste partikler, vi kender til; de er vanskelige at opdage og næsten masseløse. De passerer gennem vores planet hele tiden - for det meste kommer fra solen og kolliderer sjældent, hvis nogensinde, med protoner, neutroner og elektroner, der udgør vores kroppe og snavs under vores fødder.
Men neutrinoer med meget høj energi fra det dybe rum er forskellige fra deres kusiner med lav energi. Meget sjældnere end neutrinoer med lav energi, de har bredere "tværsnit", hvilket betyder, at de mere tilbøjelige til at kollidere med andre partikler, når de passerer gennem dem. Oddsen for, at en neutrino med ultrahøj energi gør det hele vejen gennem Jorden intakt, er så lavt, at du aldrig ville forvente at opdage, at det sker. Derfor var ANITA-afsløringerne så overraskende: Det var som om instrumentet havde vundet lotteriet to gange, og så havde IceCube vundet det et par gange mere, så snart det begyndte at købe billetter.
Og fysikere ved, hvor mange lodter de måtte arbejde med. Mange kosmetiske neutrinoer med ultrahøj energi kommer fra samspillet mellem kosmiske stråler med den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB), den svage efterglød fra Big Bang. Hver gang imellem interagerer de kosmiske stråler med CMB på nøjagtig den rigtige måde at affyre højenergipartikler på Jorden. Dette kaldes "fluxen", og det er det samme over hele himlen. Både ANITA og IceCube har allerede målt, hvordan den kosmiske neutrino-flux ser ud for hver af deres sensorer, og det producerer bare ikke nok højenergi-neutrinoer, som du kunne forvente at opdage en neutrino, der flyver ud af Jorden på en af detektorerne en gang .
"Hvis begivenhederne, der er påvist af ANITA, hører til denne diffuse neutrino-komponent, skulle ANITA have målt mange andre begivenheder i andre højdevinkler," sagde Anastasia Barbano, en fysiker fra University of Geneva, der arbejder på IceCube.
Men i teorien kunne der have været ultrahøj-energi neutrino-kilder ud over den himmelbrede flux, fortalte Barbano til Live Science: disse neutrino-kanoner eller kosmiske acceleratorer.
"Hvis det ikke er et spørgsmål om neutrinoer produceret ved samspillet mellem kosmiske stråler med meget høj energi og CMB, kan de observerede begivenheder enten være neutrinoer produceret af individuelle kosmiske acceleratorer i et givet tidsinterval" eller en ukendt jordisk kilde, Barbano sagde.
Blazars, aktive galaktiske kerner, gammastråle-bursts, starburst-galakser, galaksefusioner og magnetiserede og hurtigt spinnende neutronstjerner er alle gode kandidater til den slags acceleratorer, sagde hun. Og vi ved, at der findes kosmiske neutrinoacceleratorer i rummet; i 2018 sporet IceCube en neutrino med høj energi tilbage til en blazar, en intens stråle af partikler, der kommer fra et aktivt sort hul i midten af en fjern galakse.
ANITA henter kun de mest ekstreme neutrinoer med høj energi, sagde Barbano, og hvis de opadgående flyvende partikler var kosmisk-accelerator-boostede neutrinoer fra standardmodellen - mest sandsynligt tau-neutrinoer - skulle bjælken være kommet med et brusebad af lavere -energipartikler, der ville have udløst IceCube's detektorer med lavere energi.
"Vi kiggede efter begivenheder i syv år med IceCube-data," sagde Barbano - begivenheder, der matchede vinklen og længden på ANITA-detektionerne, som du kunne forvente at finde, om der var et betydeligt batteri af kosmiske neutrino-pistoler derude, der skyder mod Jorden at fremstille disse opadgående partikler. Men ingen dukkede op.
Deres resultater eliminerer ikke helt muligheden for en accelerationskilde derude. Men de "begrænser" omfanget af mulighederne og eliminerer alle de mest plausible scenarier, der involverer kosmiske acceleratorer og mange mindre plausible.
"Den besked, vi vil videregive til offentligheden, er, at en astrofysisk standardmodel ikke fungerer, uanset hvordan du skiver den," sagde Barbano.
Forskere ved ikke, hvad der er næste. Hverken ANITA eller IceCube er en ideel detektor til de nødvendige opfølgningssøgninger, sagde Barbano, hvilket efterlader forskerne med meget få data til at basere deres antagelser om disse mystiske partikler. Det er lidt som at prøve at finde ud af billedet på et kæmpe puslespil fra bare en håndfuld stykker.
Lige nu ser mange muligheder ud til at passe til de begrænsede data, herunder en fjerde art af "steril" neutrino uden for standardmodellen og en række teoretiserede typer mørk stof. Enhver af disse forklaringer ville være revolutionerende .hjh Men ingen er stærkt begunstiget endnu.
"Vi er nødt til at vente på den næste generation af neutrino-detektorer," sagde Barbano.
