Jacob Hoover
0 
3898
846
Tänk om en av de konstigaste, mest oroande fynden i partikelfysik visade sig vara en illusion?
Sedan mars 2016 har två mystiska signaler från Antarktis förbryllad forskare. Två gånger nu verkade en högenergipartikel spricka rakt upp ur isen och snubbla detektorer på ett ballongburet experiment som flyter över huvudet. Det är som om partiklarna hade passerat hela jorden oskadade. Men det borde vara allt annat än omöjligt: Ingen av de kända partiklarna, som tillsammans beskrivs i en fysikmodell känd som standardmodellen, kan göra denna resa på högenerginivåer.
Partiklar som annars är identiska kan bära olika mängder energi, och mängden energi som en partikel bär på kan ändra dess beteende. Spöklika, neutriner med låg energi kan glida genom hela planetens jordskorpa, smält sten och järn oövt. Men de packar inte tillräckligt med stans för att skapa de signaler som finns i Antarktis. Neutrinoer med hög energi är tillräckligt kraftfulla för att skapa signalerna. Men eftersom dessa neutrinoer med högre energi har större "tvärsnitt" - de påverkar en större region i det omgivande rymden - tenderar de att stöta på saker snarare än att glida igenom dem. Det är skillnaden mellan att kasta en marmor genom ett fisknät och att försöka skjuta en strandboll genom samma luckor. Ingen känd högenergin neutrino ska kunna passera genom hela jorden och komma ut från Antarktis.
Relaterad: De 18 största olösta mysterierna inom fysik
Fysiker benämnde de två upptäckterna "ANITA-anomalin", efter NASA: s Antarktis Impulsive Transient Antenna (ANITA), den luftburna detektorn som tog upp signalerna. De jämförde ANITA: s resultat med resultat från IceCube - ett mycket större neutrinoobservatorium i Antarktis - och fann mer stöd för uppfattningen att de hade hittat något som ingen hade sett förut. Och de tog på allvar idén att ANITA kan ha snubblat på något utöver standardmodellen.
Nu, i en ny artikel publicerad 24 april i tidskriften Annals of Glaciology, hävdar ett gemensamt team av fysiker och glaciologer att ANITA-avvikelsen sannolikt inte är bevis för ny fysik. Istället kan det helt enkelt vara ett trick av isen. Komplexa, dolda strukturer i den vita ytan kan ha reflekterat radiovågor på oväntade sätt, lurade ANITAs radiomottagare att registrera partikeln som om den kom inifrån Jorden.
Hur avvikelsen fungerade
ANITA var aldrig tänkt att jaga nya partiklar.
"Det är ett riktigt, riktigt enkelt experiment i en mening," sade Ian Shoemaker, fysiker vid Virginia Tech och huvudförfattare till det nya uppsatsen. "Allt som de egentligen har är en stor ballong, och i bunden av den är ett gäng radiomottagare. Och allt de upptäcker från alla händelser är en radiosignal."
Men radiosignaler kan innehålla mycket information om partiklar i det extrema högenergiområdet.
När ANITA byggdes utformades den för att jaga en exotisk typ av händelse som förutses av standardmodellen. Tau-neutrinoer med hög energi - en av tre neutrino-smaker tillsammans med elektron- och muonneutrinoer - är bland de mest svårfångade partiklarna i standardmodellen. Dessa neutrinoer bör träffa jorden ganska ofta från djupa rymden. Men de är svåra att upptäcka.
Relaterad: 5 svårfångade partiklar som kan lura i universum
När tau-neutrino träffar något och förfaller, producerar de en annan typ av partikel som kallas tau. Förhoppningen var att i Antarktis skulle tauneutrinoer ibland träffa jorden i grunt tillräckligt med vinklar att de skulle förfalla i isen och producera en taupartikel och en karakteristisk, detekterbar radiosignal från tauens passage genom isen. Den radiosignalen har en förutsägbar vågform: en stor spik, ett stort dopp, en mindre spik och ett mindre dopp - en form som mestadels bestäms av jordens magnetfält. Och det skulle träffa ANITA underifrån och till sidan, bevis på den blickvinkel som den slog planeten med.
ANITA har tagit upp en handfull sådana händelser, liksom signaler från kosmiska strålar som kommer rakt ner på Antarktis från djupa rymden. När det händer träffar en energisk partikel - kanske en proton - atmosfären över Antarktis, brister i en dusch med mindre laddade partiklar och producerar en radiobrist som reflekterar isen innan han slår ANITA. Återigen ger dessa händelser samma vågform som tau-neutrinoerna. Formen bestäms till stor del av jordens magnetfält och bär endast svaga inslag av partiklarna själva, berättade Shoemaker .
Men ANITA kan berätta för en tau neutrino från en grundläggande kosmisk stråle: När radiovågorna slår isen och studsar upp vid ANITA, vänder deras former. Så istället för att se UP-DOWN-up-down av en tau som tittar genom isen ser ANITA den reflekterade NED-UP-down-up av en kosmisk stråle. Och dessa kosmiska strålsignaler kan träffa ANITA från valfri riktning när de studsar från isen.
De två ANITA-anomalierna passade inte in i någon av kategorierna. I båda fallen upptäckte ANITA den ospeglade vågformen som skulle föreslå en tau neutrino, UP-DOWN-up-down. Men vågen slog ANITA i en vinkel så skarp att för att ha kommit utan att hoppa skulle den ha varit tvungen att passera genom en omöjligt tjock jordbit.
Det var en signal som ANITAs designers inte förväntade sig när de byggde detektorn, och den antydde om möjligheten att nya, okända partiklar sprängde upp från Antarktis.
Anomali eller illusion?
Efter flera års studier har fysiker inte lämnats utan någon enkel förklaring till avvikelserna, säger Derek Fox, en neutrinoxpert vid Pennsylvania State University. Fox, medlem av IceCube-samarbetet, var inte involverad i ANITA-experimentet eller det nya papperet.
Fysiker hade föreslagit några ovanliga förklaringar som inte skulle bryta standardmodellen. Ett fenomen som kallas "koherent övergången strålning" kan ha trasslat med radiovågorna som kommer från en kosmisk stråldusch, föreslog två teoretiker i mars 2019. Eller kanske signalerna kom från mörka materieeffekter i ett spegelunivers, ett papper från mars 2018 föreslagen.
Relaterad: 5 skäl till att vi kan leva i en mångfald
Men uteslutande av dessa mer sinnesböjande förklaringar, sa Fox, "atmosfäriska eller glaciala anomalier är ganska mycket vad du har kvar med" innan en ny partikel blir den enda förklaringen.
(Det är också möjligt att något instrumentellt problem med ANITA kan ha gett signalen han sa, men det är tveksamt med tanke på hur tekniskt skickligt ANITA-teamet är.)
Fortfarande, sade Fox, hade ingen ännu erbjudit en övertygande förklaring för hur luft- eller iseffekter kunde producera ANITA-avvikelserna. Det var innan Shoemakers team kom med sin ovanliga kombination av partikelfysiker, radioexperter och glaciologer.
Författarna till den nya studien framförde ett enkelt argument: När radiovågor som passerar genom luften studsar ut från ett tätt föremål, som det översta skiktet av is, vänder deras vågformer på det sätt som ANITA förväntar sig. Men det finns andra slags reflektioner som kan lura ANITAs sensorer.
När en våg som passerar genom ett ämne med hög täthet (som sten) träffar ett ämne med lägre täthet (som vatten) kommer en del av vågens energi att speglas tillbaka. Men den reflektionen ser annorlunda ut från den som inträffar när en våg reser från en miljö med låg densitet (som luft) till ett objekt med hög densitet (som is).
När du reser ner från den antarktiska himlen mot jordens centrum, som en dusch av en kosmisk stråle, möter du mest en tätare miljö efter den andra. Luften blir tjockare och tjockare. Då slår du is. Då slår du rock. Sedan hamnar du i planetens heta, täta centrum. Vid var och en av dessa övergångar skulle en studsande våg se ut precis som ANITA förväntar sig.
Men det finns funktioner i isen som inte passar det mönstret, påpekade Shoemaker och hans kollegor. Snötäckta sprickor, regioner av stressad kristall känd som "isvävlager" och sjöar med flytande vatten begravda under den frusna ytan kan alla spegla en kosmisk stråls radiosignal utan att spegla den.
Men subglaciala sjöar och snötäckta sprickor är inte tillräckligt vanliga för att vara troliga förklaringar till ANITA-evenemanget, fann forskarna. Istyger och en annan is med låg densitet, känd som "vindskorpor," kan förklara anomalierna, sade de. Men glaciologer har inte bra grepp om hur vanliga de är i regionen. Två funktioner skiljer sig emellertid ut som troliga förklaringar, skrev Shoemaker och hans team.
Den första är firn, en typ av fryst vatten som inte är så mjukt och löst som nysnö, men som ännu inte har komprimerats till ett enda isblock. Fasta lager smälter, rör sig runt och fryser om och om igen, vilket ger lager med hög och låg densitet. Ingen har letat efter firn i regionerna när ANITA upptäckte avvikelserna, men den är utbredd i Antarktis och kan spegla radiovågor utan att spegla dem.
Den andra möjligheten är hoar. Lager med tjock snö och is kommer ibland att dölja svagare, smuliga islager med lägre densitet än isen ovanför. Bergsklättrare känner och fruktar denna is, enligt Ulyana Horodyskyj, en glaciolog vid Colorado College som inte var inblandad i ANITA eller skomakarens papper. När svaga hoarlager glider på bergssidor kan ishuvudet kollapsa i en rus - en händelse känd som en lavin. Återigen finns det ännu inga direkta bevis för den här typen av dubbelskikt i ANITA-området. Men hoar är utbredd i Antarktis och kan förklara en ovanlig reflektion.
Relaterad: Antarktis: Den isbelagda botten av världen på foton
Inget av det är ett bevis på att ANITA-teamet misstog lite konstig is för en pågående partikel, skrev författarna. Men det visar att ANITA ensam antagligen inte kan skilja de två så väl som fysiker trodde.
"Framtida experiment bör inte använda fasinversion [vågformens switch från UP-DOWN-up-down till DOWN-UP-down-up] som ett enda kriterium för att skilja mellan nedåtgående och uppåtgående händelser, såvida inte reflektionsegenskaperna under ytan är väl förstått, "skrev författarna.
Med andra ord är Antarktis för komplicerat att behandla som en enkel spegel utan noggrann undersökning. Kristallerna begravda under ytan kan spela trick. Och de knepen kan förklara avvikelsen.
"Is är is - tills det inte är det, eller hur?" Horodyskyj berättade .
Glaciologer använder radiovågor för att studera is hela tiden, sade hon. Genomträngande radar kan avslöja funktioner som inte syns på ytan. Men dessa signaler är ofta röriga och att tolka dem kan vara mer en konst än en vetenskap.
"Du har alla dessa olika lager av tätheter som kan kasta hela signalen," sa Horodyskyj. "Om du har metall, skräp, stenar, vatten och is, är det riktigt lätt att skilja varandra. De har alla sin egen signal eller fingeravtryck. Men när du väl har kommit in i dessa detaljer om is, är det verkligen fascinerande hur till och med isens mjukhet ändrar signalen. "
Det är inte förvånande, sa hon, att dessa subtila isfunktioner kan skapa en illusion av ny fysik.
Öppna frågor
Fysiker måste se mer innan de är övertygade på ett eller annat sätt.
"Det är en möjlig förklaring," sade Peter Gorham, en fysiker vid University of Hawaii på Mānoa och ledare för ANITA-samarbetet, "men enligt min mening helt osannolikt."
Den mest förbryllande implikationen av Shoemaker's papper, sade Fox, är att oavsett isfunktion som kan ha skapat avvikelsen reflekterade signalen perfekt.
Under normala omständigheter studsar en våg som studsar bort något inte rent - oavsett om det är speglat eller inte. Olika våglängder återspeglas vanligtvis på olika sätt, sade Fox och lämnar spår av vad fysiker kallar "bearbetning".
"Saken är att jag tittade på vågen själv," sa Fox, "och jag såg ingenting som såg ut för mig som bearbetning."
Om något återspeglade vågen tillbaka till ANITA, gjorde det det utan att lämna några spårbara.
"Signalen är mycket ren, helt i linje med andra normala kosmiska strålar som vi har observerat. Det finns inga bevis i uppgifterna för några betydande störningar av signalen utanför en normal reflektion," berättade Gorham .
Skomakartidningen ger en förklaring till detta; med rätt täthetsstruktur kan en reflektor vara tillräckligt enhetlig över olika våglängder för att behandla en ren signal. Det skulle vara som att ha en superren spegel.
I denna rena spegelmodell skulle det faktiskt ha varit två radiobrister för varje ANITA-anomali. En, den "primära" reflektionen, skulle ha blivit vänd på det sätt som ANITA förväntar sig. Men om ytan lutade ordentligt skulle den studsa bort från ANITAs sensorer. Endast den andra bristen, det rena, ospeglade ekot skulle ha drabbat ANITA: s mottagare.
"Det är möjligt att detta verkar kräva ett sammanfall som är mycket svårt att bedöma: ett underlagsskikt med precis rätt egenskaper, i kombination med en ytlutning också med rätt egenskaper," sade Gorham.
Skomakaren sa att när han började studera ANITA-anomalin hoppades han kunna hitta bevis för ny fysik; han satte sig inte ut för att debunkna fyndet.
Men vid denna tidpunkt sa han: "Om någon skulle fråga mig 'Är det någon slags ny steril neutrino eller axion eller något [bortom standardmodellpartiklar], eller är det is?" Jag måste säga: "Det är is." Inverteringar av Firn densitet är saker som vi vet finns utan att kräva ny fysik. Så om jag var tvungen att satsa är det vad jag skulle lägga mina pengar på. "
Genom att noggrant visa hur utbredd dessa typer av funktioner är i ANITA-regionen, gjorde Shoemakers team ett starkt fall att någon form av ovanlig reflektion kan ha orsakat ANITA-anomalin, sade Fox. Men det är ännu inte en knockout-stans för ny fysik. För att bekräfta eller motbevisa Shoemaker-papperet, behöver du direkt bevis för den här typen av ovanlig reflektion som händer i Antarktis.
Hittills, sade Gorham, är bevisen till förmån för inget konstigt i isen.
"ANITA-gruppen har gjort många studier av Antarktis-is och har publicerat flera artiklar också i glaciologilitteraturen, som kommer tillbaka i ett decennium eller mer," sade han. "Vi har studerat i detalj via satellit-altimetri och radarkartor för dessa händelser, och särskilt för detta verkar det inte vara något ovanligt."
Han tillade att ANITA-samarbetet har preliminära resultat från en ännu icke offentliggjord studie som verkar motsäga vad Shoemaker och hans coauthors föreslog.
Skomakartidningen föreslog att man skickade ett team till platserna för anomalierna och studsade radiovågor från isen för att se vad som skulle hända.
Horodyskyj instämde i den metoden.
"Det du behöver är marken sanning", sa hon.
Denna del av Antarktis är ovanligt ödslig, även för den tomma kontinent, sade hon. När hon tittade på glaciologilitteraturen, sa hon, fann hon lite direkt data om isens sammansättning i regionen där ANITA upptäckte anomalierna. Få iskärnor eller andra markstudier ger en tillräckligt tydlig bild av ytan.
"Du skulle behöva ta reda på: Vad är experimentets fotavtryck från luften som de gjorde?" sa hon och hänvisade till området med is som den uppåtgående partikeln verkade komma från. "Om det är 100 till 100 meter, skulle du vilja göra exakt samma sak på marken: 100 med 100 meter, grilla ut, sätta markörer och hörnen, och sedan skulle du ta ut radaren."
Att bära en radar långsamt över marken, sa hon, skulle ge tillräckligt med detaljer för att verkligen förstå isen. Beroende på logistik kan du gå över landskapet, åka skidor eller använda en snöskoter.
Att kartlägga området bit för bit kan avslöja djupet av övergångar till glaciären och andra detaljer som inte skulle kunna upptäckas på avstånd, sa hon.
"Oppe i det område som de arbetar är det ganska torrt, så att nivån kan sträcka sig riktigt djupt jämfört med delar längs kusten där det finns mycket mer smältning," sade hon. "Och sedan skulle det andra jag skulle älska att göra mitt i det nätet vara [att] ta en iskärna."
Ett långt, fysiskt isrör kunde avslöja med blotta ögat alla oväntade lager som kan orka med radiosignaler, sade hon.
Till dess att ytterligare forskning har gjorts, avslutade Horodyskyj och Fox, kommer det att vara svårt att veta med säkerhet om Shoemakers förklaring kan avlägsna ANITA-avvikelsen eller om dessa nya fynd helt utesluts.
- Vad är det? Dina fysiska frågor besvarade
- De 11 största obesvarade frågorna om mörk materia
- De 15 konstigaste galaxerna i vårt universum
Ursprungligen publicerad den .
ERBJUDANDE: Spara 45% på "Hur det fungerar" Allt om rymden "och" Allt om historia "!
Under en begränsad tid kan du ta ut en digital prenumeration på någon av våra bästsäljande vetenskapsmagasiner för bara 2,38 dollar per månad, eller 45% rabatt på standardpriset för de första tre månaderna.
Se alla kommentarer (4)