Mærkelige isformationer kan have narret fysikerne til at se mystiske partikler, der ikke var der

Hvad hvis en af ​​de underligste, mest foruroligende fund i partikelfysik viste sig at være en illusion?

Siden marts 2016 har to mystiske signaler fra Antarktis forvirret forskere. To gange ser det ud til, at en højenergipartikel ser ud til at sprænge lige ud af isen og snuble detektorer på et ballonbåret eksperiment, der flyder over hovedet. Det er som om partiklerne var passeret gennem hele Jorden uskadet. Men det skulle være alt andet end umuligt: ​​Ingen af ​​de kendte partikler, der samlet beskrives i en fysikmodel kendt som standardmodellen, kan foretage denne tur på høje energiniveau.

Partikler, der ellers er identiske, kan bære forskellige belastninger af energi, og mængden af ​​energi, som en partikel bærer, kan ændre dens opførsel. Spøgelsesrige neutrinoer med lav energi kan glide gennem hele klodens jordskorpe, smeltet sten og jern ubearbejdet. Men de pakker ikke nok stempel til at skabe de signaler, der findes i Antarktis. Neutrinoer med høj energi er kraftige nok til at skabe signalerne. Men da disse neutrinoer med højere energi har større "tværsnit" - de påvirker en større region i det omgivende rum - har de en tendens til at banke ind i tingene snarere end at glide gennem dem. Det er forskellen mellem at kaste en marmor gennem et fiskenet og at prøve at skyde en strandkugle gennem de samme huler. Ingen kendt højenerginutrino skal være i stand til at passere gennem hele Jorden og komme ud af Antarktisk is.

Relaterede: De 18 største uløste mysterier inden for fysik

Fysikere benævnt de to detektioner "ANITA-afvikelsen" efter NASAs Antarktis Impulsive Transient Antenna (ANITA), den luftbårne detektor, der opsamlede signalerne. De sammenlignede ANITAs fund med resultater fra IceCube - et meget større neutrinoobservatorium i Antarktis - og fandt mere støtte til forestillingen om, at de havde fundet noget, ingen havde set før. Og de tog alvorligt tanken om, at ANITA måske har snublet over noget ud over standardmodellen.

I en ny artikel, der blev offentliggjort den 24. april i tidsskriftet Annals of Glaciology, hævder et fælles team af fysikere og glaciologer, at ANITA-afvikelsen sandsynligvis ikke er bevis for ny fysik. I stedet kan det ganske enkelt være et trick af isen. Komplekse, skjulte strukturer i den hvide vidde kunne have reflekteret radiobølger på uventede måder og narret ANITAs radiomodtagere til at registrere partiklen, som om den kom inde fra Jorden.

Hvordan anomalien fungerede

ANITA var aldrig beregnet til at jage nye partikler.

"Det er et virkelig, virkelig simpelt eksperiment på en måde," sagde Ian Shoemaker, fysiker ved Virginia Tech og hovedforfatter af det nye papir. "Alt hvad de har dybest set er en stor ballon, og bundet til bunden af ​​den er en flok radiomodtagere. Og alt, hvad de registrerer fra enhver begivenhed, er et radiosignal."

Men radiosignaler kan indeholde en masse information om partikler i det ekstreme højenergiområde.

Da ANITA blev bygget, var det designet til at jage en eksotisk slags begivenhed, der var forudsagt af standardmodellen. Tau-neutrinoer med høj energi - en af ​​tre neutrino-smagsoplevelser sammen med elektron- og muon-neutrinoer - er blandt de mest undvikende partikler i standardmodellen. Disse neutrinoer skulle ramme Jorden temmelig ofte fra det dybe rum. Men de er vanskelige at opdage.

Relaterede: 5 undvigende partikler, der muligvis lurer i universet

Når tau-neutrinoer rammer noget og forfalder, producerer de en anden type partikel, der kaldes en tau. Håbet var, at tau-neutrinoer i Antarktis nogle gange ville ramme Jorden i flade nok vinkler til, at de ville henfalde i isen, hvilket producerede en tau-partikel og et karakteristisk, detekterbart radiosignal fra tauens passage gennem isen. Dette radiosignal har en forudsigelig bølgeform: en stor spids, en stor dukkert, en mindre spike og en mindre dyppe - en form, der for det meste bestemmes af Jordens magnetfelt. Og det ville ramme ANITA nedenfra og til siden, bevis på den blændevinkel, som den ramte planeten med.

ANITA har samlet sig på en håndfuld af sådanne begivenheder såvel som signaler fra kosmiske stråler, der kommer lige ned på Antarktis fra det dybe rum. Når det sker, rammer en aktiveret partikel - måske en proton - atmosfæren over Antarktis, sprænger i et brusebad med mindre ladede partikler og producerer et radioburst, der reflekterer isen, inden han rammer ANITA. Igen producerer disse begivenheder den samme bølgeform som tau-neutrinoerne. Formen bestemmes stort set af Jordens magnetfelt og bærer kun svage antydninger til selve partiklerne, fortalte Shoemaker .

Men ANITA kan fortælle en tau neutrino fra en grundlæggende kosmisk stråle: Når radiobølgerne slår isen og hopper op ved ANITA, vender deres former. Så i stedet for at se UP-DOWN-up-down af en tau, der kigger gennem isen, ser ANITA den reflekterede NED-UP-down-up af en kosmisk stråle. Og disse kosmiske strålesignaler kan ramme ANITA fra alle retninger, når de hopper ud af isen.

De to ANITA-anomalier passer ikke ind i nogen kategori. I begge tilfælde opdagede ANITA den ikke-spejlede bølgeform, der antydede en tau neutrino, OP-NED-op-ned. Men bølgen ramte ANITA i en vinkel, der var så skarp, at hvis den var kommet uden at hoppe, ville den have været nødt til at passere gennem en umulig tyk jordart.

Det var et signal, som ANITAs designere ikke forventede, da de byggede detektoren, og det antydede på muligheden for, at nye, ukendte partikler sprængte op fra Antarktis.

Anomali eller illusion?

Efter mange års undersøgelse har fysikere ikke efterladt nogen let forklaring på anomalierne, sagde Derek Fox, en neutrinokspert ved Pennsylvania State University. Fox, medlem af IceCube-samarbejdet, var ikke involveret i ANITA-eksperimentet eller det nye papir.

Fysikere havde foreslået nogle usædvanlige forklaringer, der ikke ville bryde standardmodellen. Et fænomen kendt som "sammenhængende overgangsstråling" kan have rodet med radiobølgerne fra et kosmisk strålebrusebad, antydede to teoretikere i marts 2019. Eller måske signalerne kom fra mørke stofeffekter i et spejlunivers, et papir fra marts 2018 foreslog.

Relaterede: 5 grunde til at vi lever i en multiverse

Men udelukket disse mere mind-bending forklaringer, fortalte Fox, "atmosfæriske eller glacial anomalier er stort set hvad du har tilbage med", før en ny partikel bliver den eneste forklaring.

(Det er også muligt, at et instrumentalt problem med ANITA muligvis har produceret det signal, han sagde, men det er tvivlsomt i betragtning af hvor teknisk dygtig ANITA-teamet er.)

Fox sagde stadig, at ingen endnu havde tilbudt en overbevisende forklaring på, hvordan luft- eller iseffekter kunne producere ANITA-anomalierne. Det var før Shoemaker's team kom med sin usædvanlige kombination af partikelfysikere, radioeksperter og glaciologer.

Forfatterne af den nye undersøgelse fremsatte et ligetil argument: Når radiobølger, der passerer luft, spretter ud af et tæt objekt, som det øverste islag, vender deres bølgeformer på den måde, ANITA forventer. Men der er andre slags refleksioner, der kunne narre ANITAs sensorer.

Når en bølge, der passerer gennem et stof med høj densitet (som sten), rammer et stof med lavere densitet (som vand), vil nogle af bølgens energi reflektere tilbage. Men den reflektion ser anderledes ud end den, der opstår, når en bølge rejser fra et miljø med lav densitet (som luft) til et objekt med høj densitet (som is).

Når du rejser ned fra den antarktiske himmel mod Jordens centrum, som brusebadet fra en kosmisk stråle, støder du for det meste på det tættere miljø efter det andet. Luften bliver tykkere og tykkere. Så rammer du is. Så rammer du rock. Så ender du i planetens varme, tætte centrum. Ved hver af disse overgange ville en hoppende bølge se lige ud som ANITA forventer.

Men der er funktioner i isen, der ikke passer til det mønster, påpegede skomager og hans kolleger. Snedækkede spalter, regioner af stresset krystal kendt som "isstoflag" og søer med flydende vand begravet under den frosne overflade reflekterer muligvis alle en kosmisk stråles radiosignal uden at spejle det.

Men subglacial søer og snedækkede sprekker er ikke almindelige nok til at være sandsynlige forklaringer til ANITA-begivenheden, fandt forskerne. Isstoffer og en anden is med lav densitet, kendt som "vindskorpe," forklarer muligvis uregelmæssighederne, sagde de. Men glaciologer har ikke et godt greb om, hvor almindelige de er i regionen. To træk skiller sig imidlertid ud som sandsynlige forklaringer, skrev Shoemaker og hans team.

Den første er firn, en type frossent vand, der ikke er så blød og løs som frisk sne, men som endnu ikke er blevet komprimeret til en enkelt blok is. Firn lag smelter, bevæger sig rundt og fryser igen og igen, hvilket producerer lag med høj og lav densitet. Ingen har kigget efter fyr i regionerne, da ANITA opdagede anomalierne, men det er udbredt i Antarktis og kan afspejle radiobølger uden at spejle dem.

Den anden mulighed er hoar. Lag med tyk sne og is vil undertiden skjule svagere, smuldrende lag is, der er lavere densitet end isen derover. Bjergbestigere kender og frygter denne is, ifølge Ulyana Horodyskyj, en glaciolog ved Colorado College, der ikke var involveret i ANITA eller skomagerens papir. Når svage hoarlag glider på bjergskråninger, kan ishovedet kollapse i et hast - en begivenhed kendt som et lavine. Igen er der endnu ikke noget direkte bevis for denne slags dobbeltlag i ANITA-området. Men hoar er udbredt i Antarktis og kan muligvis forklare en usædvanlig reflektion.

Relaterede: Antarktis: Den isdækkede bund af verden på fotos

Intet af det er beviset for, at ANITA-teamet fejlagtigt noget underligt is for en igangværende partikel, skrev forfatterne. Men det viser, at ANITA alene sandsynligvis ikke kan skelne mellem de to, såvel som fysikere troede.

"Fremtidige eksperimenter bør ikke bruge faseinversion [bølgeformens switch fra OP-NED-op-ned til NED-UP-ned-op] som et eneste kriterium for at skelne mellem nedadgående og opadgående begivenheder, medmindre reflektionsegenskaber under jorden er godt forstået, ”skrev forfatterne.

Med andre ord er Antarktis for kompliceret til at behandle som et simpelt spejl uden omhyggelig undersøgelse. Krystallerne begravet under overfladen kan spille tricks. Og disse tricks forklarer muligvis afvikelsen.

"Is er is - indtil det ikke er, ikke?" Horodyskyj fortalte .

Glaciologer bruger radiobølger til at studere is hele tiden, sagde hun. Gennemtrængende radar kan afsløre funktioner, der ikke er synlige på overfladen. Men disse signaler er ofte rodede, og at fortolke dem kan være mere en kunst end en videnskab.

”Du har alle disse forskellige lag af tætheder, der kan kaste hele signalet,” sagde Horodyskyj. "Hvis du har metal, affald, klipper, vand og is, er det virkelig nemt at adskille dem. De har alle deres eget signal eller fingeraftryk. Men når du først kommer ind i disse detaljer om is, er det virkelig fascinerende, hvordan endda isens blødhed ændrer signalet. "

Det er ikke overraskende, sagde hun, at disse subtile isfunktioner muligvis skaber en illusion af ny fysik.

Åbn spørgsmål

Fysikere er nødt til at se mere, før de er overbevist den ene eller den anden måde.

"Det er en mulig forklaring," sagde Peter Gorham, fysiker ved University of Hawaii på Mānoa og leder af ANITA-samarbejdet, "men efter min mening ganske usandsynligt."

Den mest forvirrende implikation af Shoemaker's papir, sagde Fox, er, at uanset isfunktion, der måtte have skabt anomalien, reflekterede signalet perfekt.

Under normale omstændigheder hopper en bølge, der spretter fra noget, ikke rent - uanset om det er spejlet eller ej. Forskellige bølgelængder afspejles normalt på forskellige måder, sagde Fox og efterlader spor af, hvad fysikere kalder "behandling".

"Sagen er, at jeg selv så på bølgen," sagde Fox, "og jeg så ikke noget, der lignede forarbejdning på mig."

Hvis noget afspejlede bølgen op til ANITA, gjorde det det uden at efterlade sporbare spor.

"Signalet er meget rent, helt på linje med andre normale kosmiske stråler, som vi har observeret. Der er intet bevis i dataene for nogen signifikante forstyrrelser af signalet uden for en normal reflektion," fortalte Gorham .

Shoemaker-papiret giver en forklaring på dette; med den rigtige densitetsstruktur kan en reflektor være ensartet på tværs af forskellige bølgelængder til at behandle et rent signal. Det ville være som at have et super rent spejl.

I denne rene spejlmodel ville der faktisk have været to radioudbrud for hver ANITA-anomali. Den ene, den "primære" reflektion, ville være blevet vendt på den måde, ANITA forventer. Men hvis overfladen var skrånende ordentligt, ville den hoppe væk fra ANITAs sensorer. Kun det andet burst, det rene, uspeglede ekko ville have ramt ANITAs modtagere.

"Selvom det er muligt ser det ud til at kræve et sammenfald, der er meget vanskeligt at vurdere: et underjordisk lag med lige de rigtige egenskaber, kombineret med en overfladishældning også med de rigtige egenskaber," sagde Gorham.

Skomager sagde, at da han begyndte at studere ANITA-anomalien, håbede han at finde bevis for ny fysik; han gik ikke ud for at debunkere fundet.

På dette tidspunkt sagde han dog, "Hvis nogen skulle spørge mig 'Er dette en slags ny steril neutrino eller aksion eller noget [ud over Standard Model-partikler], eller er det is?' Jeg bliver nødt til at sige: 'Det er is.' Inversioner af fast densitet er ting, vi ved, at der findes uden at kræve ny fysik. Så hvis jeg skulle satse en indsats, var det det, jeg ville lægge mine penge på. ”

Ved strengt at vise, hvor udbredt disse slags funktioner er i ANITA-regionen, gjorde Shoemaker's hold en stærk sag om, at en slags usædvanlig refleksion kan have forårsaget ANITA-anomalien, sagde Fox. Men det er endnu ikke et knockout-stempel for ny fysik. For at bekræfte eller modbevise Shoemaker-papiret, har du brug for direkte bevis for denne slags usædvanlige refleksioner, der sker i Antarktis.

Indtil videre, sagde Gorham, er beviset til fordel for intet underligt i isen.

"ANITA-gruppen har foretaget mange undersøgelser af Antarktis-is og har offentliggjort flere artikler også i glaciologilitteraturen, der går tilbage i et årti eller mere," sagde han. "Vi har undersøgt detaljeret via satellit-altimetri og radarkort over disse begivenheder, og især for denne synes der ikke at være noget usædvanligt."

Han tilføjede, at ANITA-samarbejdet har foreløbige resultater fra en endnu ikke offentliggjort undersøgelse, der synes at være i modstrid med, hvad Shoemaker og hans coauthors foreslog.

Shoemaker-papiret foreslog, at man sendte et hold til anomalierne og sprang radiobølger fra isen for at se, hvad der ville ske.

Horodyskyj var enig i denne tilgang.

”Det, du har brug for, er sandheden i jorden,” sagde hun.

Denne del af Antarktis er usædvanligt øde, også for det tomme kontinent, sagde hun. Når hun kiggede gennem glaciologilitteraturen, sagde hun, fandt hun kun få direkte data om sammensætningen af ​​isen i det område, hvor ANITA opdagede anomalierne. Få iskerner eller andre undersøgelser på jorden giver et tilstrækkeligt klart billede af isen under jorden.

"Du bliver nødt til at regne ud: Hvad er fodaftrykket fra eksperimentet fra luften, som de gjorde?" sagde hun og henviste til det område med is, som den opadgående partikel syntes at komme fra. "Hvis det er 100 x 100 meter, vil du gerne gøre nøjagtigt det samme på jorden: 100 x 100 meter, grydet ud, sæt markører og hjørnerne, og så vil du tage radaren ud."

At bære en radar langsomt over jorden, sagde hun, ville tilbyde nok detaljer til virkelig at forstå isen. Afhængig af logistikken kunne du gå det over landskabet, stå på ski eller bruge en snescooter.

At kortlægge området stykkevis kunne afsløre dybden af ​​overflade til gletschere og andre detaljer, som ikke kunne opdages langvejs, sagde hun.

”Oppe i det område, de arbejder, er det temmelig tørt, så firn-niveauet kan strække sig virkelig dybt sammenlignet med dele langs kysten, hvor der er meget mere smeltning,” sagde hun. "Og så ville den anden ting, jeg ville elske at gøre midt i dette gitter, være [at] tage en iskerne."

Et langt, fysisk isrør kunne afsløre for det blotte øje alle uventede lag, der måske rod med radiosignaler, sagde hun.

Indtil der er foretaget yderligere forskning, aftalte Horodyskyj og Fox, vil det være vanskeligt at vide med sikkerhed, om Shoemaker's forklaring kan udslette ANITA-afvikelsen, eller om disse nye fund udelukkes helt.

• Hvad er det? Dine fysiske spørgsmål besvaret
• De 11 største ubesvarede spørgsmål om mørk stof
• De 15 underligste galakser i vores univers

Oprindeligt offentliggjort den .

TILBUD: Spar 45% på 'Sådan fungerer det' Alt om plads 'og' Alt om historie '!

I en begrænset periode kan du tegne et digitalt abonnement på et af vores mest solgte videnskabsmagasiner for kun $ 2,38 pr. Måned eller 45% rabat på standardprisen for de første tre måneder. Se tilbud