Τα περίεργα σωματίδια που διασχίζουν τη Γη θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε νέα φυσική

Δύο φορές τα τελευταία 13 χρόνια, σωματίδια από το διάστημα πέρασαν σε σήραγγα μέσω της Γης και ανέβηκαν στην ατμόσφαιρα πάνω από την Ανταρκτική, πυροδοτώντας αμυδρούς παλμούς ραδιοκυμάτων που ανελήφθησαν από έναν ανιχνευτή μπαλονιού 35 χιλιόμετρα πάνω από το κάλυμμα πάγου. Αυτά τα δύο γεγονότα ανοίγουν μια τρύπα στο τυπικό μοντέλο των θεμελιωδών σωματιδίων και δυνάμεων των φυσικών και δείχνουν την ύπαρξη νέων σωματιδίων, υποστηρίζει μια ομάδα αστροφυσικών σε μια νέα μελέτη.

"Λοιπόν... ε, παιδιά; Νομίζω ότι ο @steinly0 [Steinn Sigurdsson], κάποιοι συνάδελφοι και εγώ μόλις σπάσαμε το Καθιερωμένο Μοντέλο", έγραψε στο Twitter ο Derek Fox, ένας παρατηρητικός αστροφυσικός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια στο University Park. Αλλά ο Dave Besson, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Κάνσας στο Lawrence και μέλος της ομάδας που αρχικά παρατήρησε τα γεγονότα με το πείραμα με το μπαλόνι, λέει ότι μέσα σε αυτή τη συνεργασία, «Δεν νομίζω ότι υπάρχει κανείς που να λέει ότι σπάσαμε το τυπικό μοντέλο."

Τα δεδομένα προέρχονται από την Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA), ένα πείραμα που χρηματοδοτείται από τη NASA και έχει επιπλεύσει γύρω από τον Νότιο Πόλο τέσσερις φορές από το 2006. Κυρίως αναζητά στοιχεία άπιαστων σωματιδίων που ονομάζονται νετρίνα που πέφτουν στον πάγο κάτω και προκαλούν έναν ψεκασμό σωματίδια που στη συνέχεια εκπέμπουν ενδεικτικά ραδιοκύματα. Η ANITA δεν έχει ακόμη εντοπίσει τέτοια σήματα. Ωστόσο, το όργανο βρήκε ραδιοφωνικά σήματα που παράγονται από άλλους τύπους σωματιδίων από το διάστημα, γνωστά γενικά ως κοσμικές ακτίνες, καθώς πέφτουν στη Γη.

Όταν μια κοσμική ακτίνα όπως ένα πρωτόνιο χτυπά την ατμόσφαιρα, πυροδοτεί μια χιονοστιβάδα φορτισμένων σωματιδίων υψηλής ενέργειας που ονομάζεται ντους αέρα. Η τροχιά του ντους κάμπτεται στο μαγνητικό πεδίο της Γης, γεγονός που την αναγκάζει να παράγει ραδιοκύματα που ακτινοβολούν μπροστά από το ντους σαν προβολέας. Τυπικά, η ANITA βλέπει ραδιοκύματα από ντους αέρα που κινούνται προς τα κάτω αφού αναπηδήσουν από τον πάγο και αντανακλούν μέχρι το μπαλόνι. Περιστασιακά εντοπίζει ραδιοκύματα που προέρχονται απευθείας από ντους αέρα που ταξιδεύουν λοξά στην ατμόσφαιρα από τον ορίζοντα.

Τα δύο σήματα διαφέρουν κατά έναν βασικό τρόπο. Τα ραδιοκύματα είναι πολωμένα με τρόπο που καθορίζεται από την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου της Γης. Αλλά αυτή η πόλωση ανατρέπεται όταν τα ραδιοκύματα αντανακλώνται από τον πάγο, ενώ ένα σήμα από ένα πλευρικό ντους διατηρεί την αρχική του πόλωση.

Ωστόσο, δύο φορές, κατά τη διάρκεια της πρώτης πτήσης του 2006 και της τρίτης πτήσης του το 2014, η ANITA ανίχνευσε περίεργα ραδιοκύματα με μη αναστρέψιμες πολώσεις που έρχονται από την κάτω επιφάνεια αντί από τον ορίζοντα. Αυτό υποδηλώνει ότι τα σήματα παρήχθησαν από βροχοπτώσεις αέρα με ζουμ προς τα πάνω που πυροδοτήθηκαν από σωματίδια που διέσχισαν τη Γη. Στην αρχή, αυτό δεν είναι πρόβλημα για το τυπικό μοντέλο. Τα νετρίνα μόλις και μετά βίας αλληλεπιδρούν με την ύλη, επομένως μερικά κοσμικά νετρίνα μπορεί να διέσχισαν τον πλανήτη προτού χτυπήσουν έναν ατομικό πυρήνα στον πάγο και ξεκινήσουν μια βροχή αέρα προς τα πάνω.

Ωστόσο, όταν εξεταστεί λεπτομερώς, αυτή η εξήγηση καταρρέει, υποστηρίζουν ο Fox και οι συνεργάτες του. Δεδομένων των κατευθύνσεων των ντους, τα σωματίδια που τα δημιούργησαν πρέπει να έχουν διανύσει περισσότερα από 5700 χιλιόμετρα της Γης, εκτιμούν οι ερευνητές. Ωστόσο, τα μεγάλα μεγέθη των ντους δείχνουν ότι τα σωματίδια πρέπει να είχαν ενέργειες άνω των 0,5 εξα-ηλεκτρονίων βολτ—70.000 φορές υψηλότερη από την ενέργεια που επιτυγχάνεται με τον πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων. Τέτοια ακραία ενέργεια αυξάνει την πιθανότητα τα νετρίνα να αλληλεπιδράσουν με άλλη ύλη, επομένως δεν υπάρχει πιθανότητα ένα τόσο υψηλής ενέργειας νετρίνο να περάσει τόσο πολύ, υποστηρίζουν οι ερευνητές στη νέα εργασία που δημοσιεύτηκε στον διακομιστή προεκτύπωσης arXiv και υποβλήθηκε στο Φυσική ανασκόπηση D .

Τα γεγονότα εξηγούνται πιο εύκολα από τη νέα φυσική, λένε οι ερευνητές. Μια υπερυψηλής ενέργειας κοσμική ακτίνα στην μακρινή πλευρά της Γης θα μπορούσε να έχει δημιουργήσει ένα νέο είδος σωματιδίου, περίπου 500 φορές μεγαλύτερης μάζας από το πρωτόνιο, που διαπέρασε τον πλανήτη πριν διασπαστεί για να δημιουργήσει την ανοδική βροχή αέρα, λένε. Ένα θεωρητικό πλαίσιο που ονομάζεται υπερσυμμετρία προσφέρει στους υποψηφίους που θα έκαναν το κόλπο, λέει ο Fox. Προσθέτει ότι η ερμηνεία λαμβάνει επίσης κάποια υποστήριξη από το IceCube, μια γιγάντια σειρά ανιχνευτών σωματιδίων βυθισμένη στον πάγο της Ανταρκτικής, η οποία βλέπει ασθενέστερα στοιχεία ασυνήθιστων ανοδικών γεγονότων.

Η ίδια η ομάδα της ANITA παρατήρησε τα δύο περίεργα γεγονότα, περιγράφοντάς τα σε προηγούμενες εργασίες, αλλά ο Besson προειδοποιεί να μην βγάλουμε βιαστικά συμπεράσματα. Ολόκληρη η ανάλυση προϋποθέτει ότι οι μη αναποδογυρισμένες πολώσεις των δύο σημάτων αποδεικνύουν ότι προέρχονται από σωματίδια που έρχονται από τη Γη. «Αυτό δεν είναι slam dunk», λέει ο Besson. Τα επιφανειακά φαινόμενα και άλλοι παράγοντες θα μπορούσαν να ανατρέψουν την πόλωση ενός σήματος από μια βροχή σωματιδίων προς τα κάτω, λέει. "Η προσωπική μου άποψη είναι ότι κάνουμε πάρα πολλά από αυτά τα γεγονότα που εξαρτώνται πλήρως από ένα επιχείρημα πόλωσης."

Ο Fox λέει ότι στόχος του είναι να κάνει την κοινότητα να λάβει στα σοβαρά την πιθανότητα τα αποτελέσματα της ANITA να δείχνουν νέα φυσική. Τονίζει ότι δεν διεκδικεί την ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου. Ωστόσο, εμμένει στον ισχυρισμό της δημοσίευσης ότι τα δεδομένα αποκλείουν μια τυπική εξήγηση μοντέλου των γεγονότων στο επίπεδο της στατιστικής εμπιστοσύνης που απαιτούν οι φυσικοί των σωματιδίων για να διεκδικήσουν μια οριστική ανακάλυψη.

Η μοίρα της ANITA μπορεί επίσης να εξαρτάται από τη συζήτηση. Η NASA δεν έχει ακόμη χρηματοδοτήσει μια πέμπτη πτήση, λέει ο Besson, και αν το κάνει, η πτήση πιθανότατα θα επικεντρωθεί σε τέτοια περίεργα γεγονότα.

Όσον αφορά το τιτλοφορετικό του tweet, ο Fox λέει ότι δεν ανησυχεί ότι θα είναι υπερβολικό από το κοινό ή τον επιστημονικό τύπο. "Είμαστε μόλις εδώ στο Twitter και μιλάμε και διασκεδάζουμε."