Formațiile ciudate de gheață ar fi putut păcăli fizicienii să vadă particule misterioase care nu erau acolo

Ce se întâmplă dacă una dintre cele mai ciudate, cele mai neliniștitoare constatări din fizica particulelor s-ar dovedi o iluzie?

Din martie 2016, două semnale misterioase din Antarctica au declanșat cercetătorii. De două ori acum, o particulă cu energie mare pare să izbucnească direct în gheață, declanșând detectoarele pe un experiment purtat de balon plutind deasupra. Este ca și cum particulele ar fi trecut pe întreg Pământul neschimbate. Dar asta ar trebui să fie totul, dar imposibil: Niciuna dintre particulele cunoscute, care sunt descrise colectiv într-un model de fizică cunoscut sub numele de Model Standard, nu poate face această călătorie la niveluri ridicate de energie.

Particulele care sunt altfel identice pot transporta diferite surse de energie, iar cantitatea de energie pe care o transportă o particulă îi poate schimba comportamentul. Nevronii cu energie scăzută pot să alunece prin toată scoarța planetei, roca topită și fierul neabordat. Dar nu ambalează suficient pentru a crea semnalele găsite în Antarctica. Neutrinii cu energie mare sunt suficient de puternici pentru a crea semnale. Dar, având în vedere că acești neutrini cu energie mai mare au „secțiuni transversale” mai mari - au un impact asupra unei regiuni mai mari de spațiu înconjurător - tind să se lovească de lucruri, mai degrabă decât să le alunece. Este diferența dintre a arunca o marmură printr-o plasă de pescuit și a încerca să trageți o minge de plajă prin aceleași lacune. Niciun neutrin cu energie mare nu ar trebui să poată trece pe întregul Pământ și să iasă din gheața Antarctică.

Legate de: Cele mai mari 18 mistere nesoluționate din fizică

Fizicienii au denumit cele două detecții „anomalia ANITA”, după Antena Antantică Tranzitorie Impulsivă (ANITA), detectorul aerian care a preluat semnalele. Au comparat concluziile ANITA cu rezultatele de la IceCube - un observator de neutrini mult mai mare în Antarctica - și au găsit mai mult sprijin pentru ideea că au găsit ceva pe care nimeni nu l-a mai văzut. Și au luat în serios ideea că ANITA ar fi putut păcăli pe ceva dincolo de modelul standard.

Acum, într-o nouă lucrare publicată pe 24 aprilie în revista Annals of Glaciology, o echipă comună de fizicieni și glaciologi susțin că probabil că anomalia ANITA nu este o dovadă pentru o fizică nouă. În schimb, poate fi pur și simplu un truc al gheții. Structuri complexe, ascunse în întinderea albă, ar fi putut reflecta undele radio în mod neașteptat, păcălind receptoarele radio ANITA să înregistreze particula ca și cum ar veni din interiorul Pământului.

Cum a funcționat anomalia

ANITA nu a fost niciodată menită să vâneze particule noi.

„Este un experiment cu adevărat simplu, într-un sens”, a spus Ian Shoemaker, fizician la Virginia Tech și autor principal al noii lucrări. "Tot ceea ce au, practic, este un balon mare, și atașat la partea de jos a acestuia este o grămadă de receptoare radio. Și tot ce detectează de la orice eveniment este un semnal radio."

Dar semnalele radio pot deține o mulțime de informații despre particule din gama extremă de energie.

Când ANITA a fost construită, a fost proiectată pentru a vâna un fel de eveniment exotic prevăzut de Modelul Standard. Nevroinele cu energie mare de tau - una dintre cele trei arome de neutrino împreună cu neutronii de electroni și muoni - sunt printre cele mai evazive particule din Modelul Standard. Acești neutrini ar trebui să lovească Pământul destul de des din spațiul profund. Dar sunt dificil de detectat.

Legate de: 5 particule evazive care pot fi pândite în univers

Când neutrinii tau lovesc ceva și se descompun, produc un alt tip de particule numit tau. Speranța era că, în Antarctica, neutrinii tau vor atinge uneori Pământul cu unghiuri destul de superficiale încât să se descompună în gheață, producând o particulă tau și un semnal radio detectabil caracteristic din trecerea tau prin gheață. Acest semnal radio are o formă de undă previzibilă: un vârf mare, o scufundare mare, un vârf mai mic și o scufundare mai mică - o formă determinată în mare parte de câmpul magnetic al Pământului. Și ar lovi ANITA de jos și în lateral, dovadă a unghiului care privește cu care a lovit planeta.

ANITA a preluat o serie de evenimente de genul acesta, precum și semnale de la razele cosmice care coboară direct în Antarctica din spațiul profund. Când se întâmplă asta, o particulă energizată - poate un proton - lovește atmosfera peste Antarctică, izbucnește într-un duș de particule mai mici încărcate și produce o explozie radio care reflectă gheața înainte de a lovi ANITA. Din nou, aceste evenimente produc aceeași formă de undă ca și neutronii tau. Forma este determinată în mare măsură de câmpul magnetic al Pământului și poartă doar indicii slabe ale particulelor în sine, a spus Shoemaker .

Dar ANITA poate spune un neutru tau dintr-o rază cosmică de bază: Când undele radio lovesc gheața și se ridică la ANITA, formele lor flipă. Așa că, în loc să vadă în sus-jos în jos, de un tau care aruncă o privire prin gheață, ANITA vede DOWN-UP-ul reflectat-coborât al unei raze cosmice. Și aceste semnale de raze cosmice pot lovi ANITA din orice direcție în timp ce sări de pe gheață.

Cele două anomalii ANITA nu se încadrau în niciuna din categorii. În fiecare caz, ANITA a detectat forma de undă ne-oglindită care ar sugera un neutrin tau, UP-DOWN-up-down. Dar valul a izbucnit ANITA într-un unghi atât de ascuțit încât să fi sosit fără a salta, ar fi trebuit să treacă printr-o bucată de Pământ imposibil de groasă.

A fost un semnal pe care designerii ANITA nu-l așteptau când au construit detectorul și a arătat posibilitatea de a izbucni particule noi, necunoscute, din Antarctica.

Anomalie sau iluzie?

După ani de studiu, fizicienii au rămas fără explicații ușoare pentru anomalii, a declarat Derek Fox, un expert în neutrino la Universitatea de Stat din Pennsylvania. Fox, membru al colaborării IceCube, nu a fost implicat în experimentul ANITA sau cu noua lucrare.

Fizicienii au propus câteva explicații neobișnuite care nu ar încălca Modelul Standard. Un fenomen cunoscut sub numele de „radiație de tranziție coerentă” s-ar putea să fi încurcat undele radio provenite dintr-un duș cu raze cosmice, au sugerat doi teoreticieni în martie 2019. Sau, poate că semnalele proveneau de la efectele de materie întunecată într-un univers oglindă, o lucrare din martie 2018 propus.

Legate de: 5 motive pentru care putem trăi într-un multivers

Însă, în afara acestor explicații mai încovoiate de minte, a spus Fox, „anomaliile atmosferice sau glaciare sunt cam ceea ce ai mai rămas” înainte ca o nouă particulă să devină singura explicație.

(De asemenea, este posibil ca o problemă instrumentală cu ANITA să fi produs semnalul spus de el, dar asta este îndoielnic având în vedere cât de adeptă tehnic este echipa ANITA.)

Cu toate acestea, a spus Fox, nimeni nu a oferit încă o explicație convingătoare despre modul în care efectele aerului sau ale gheții ar putea produce anomaliile ANITA. Asta a fost înainte de a veni echipa Shoemaker, cu combinația sa neobișnuită de fizicieni de particule, experți radio și glaciologi.

Autorii noului studiu au făcut un argument simplu: Când undele radio care trec prin aer sărind de pe un obiect dens, precum stratul superior de gheață, formele lor de undă se întorc în modul în care ANITA se așteaptă. Există însă și alte tipuri de reflexe care ar putea păcăli senzorii ANITA.

Când o undă care trece printr-o substanță de înaltă densitate (precum roca) lovește o substanță de densitate mai mică (ca apa), o parte din energia valului se va reflecta înapoi. Dar această reflecție arată diferit de cea care se produce atunci când o undă călătorește dintr-un mediu cu densitate mică (precum aerul) la un obiect de densitate înaltă (ca gheața).

În timp ce călătoriți de pe cerul Antarcticii spre centrul Pământului, precum dușul unei raze cosmice, veți întâlni în mare parte un mediu mai dens după altul. Aerul devine din ce în ce mai gros. Apoi te lovești de gheață. Apoi lovești rock. Apoi ajungeți în centrul cald și dens al planetei. La fiecare dintre aceste tranziții, un val de săritură ar arăta exact așa cum se așteaptă ANITA.

Există însă caracteristici în gheață care nu se potrivesc cu acest tipar, a subliniat Cizmarul și colegii săi. Crestele acoperite cu zăpadă, regiunile de cristal stresat cunoscute sub numele de "straturi de țesături de gheață" și lacurile de apă lichidă îngropate sub suprafața înghețată ar putea reflecta semnalul radio al unei raze cosmice fără a oglinda.

Dar lacurile subglaciare și pârâurile acoperite cu zăpadă nu sunt suficient de comune pentru a fi explicații probabile pentru evenimentul ANITA, au descoperit cercetătorii. Țesăturile de gheață și o altă caracteristică de gheață de densitate mică, cunoscută sub numele de „cruste de vânt”, ar putea explica anomaliile, au spus ei. Dar glaciologii nu au o manieră bună despre cât de obișnuite sunt în regiune. Totuși, două caracteristici ies în evidență ca explicații probabile, a scris Shoemaker și echipa sa.

Primul este firnul, un tip de apă înghețată care nu este la fel de moale și desprinsă ca zăpada proaspătă, dar încă nu a fost comprimată într-un singur bloc de gheață. Straturile de fir se topesc, se mișcă și se înghețează, producând straturi de densitate ridicată și mică. Nimeni nu a căutat firn în regiuni când ANITA a observat anomaliile, dar este răspândită în Antarctica și poate reflecta undele radio fără să le oglindească.

Cealaltă posibilitate este urletul. Straturile de zăpadă groasă și gheață vor ascunde uneori straturi de gheață mai slabe și crude, cu o densitate mai mică decât gheața de deasupra ei. Alpinistii stiu si se tem de aceasta gheata, potrivit Ulyana Horodyskyj, un glaciolog de la Colegiul Colorado care nu a fost implicat in ANITA sau lucrarea cizmarului. Când straturile slabe de zăpadă alunecă pe litoralele munților, gheața deasupra se poate prăbuși în grabă - eveniment cunoscut sub numele de avalanșă. Din nou, încă nu există dovezi directe pentru acest tip de dublu strat în zona ANITA. Dar vâsla este foarte răspândită în Antarctica și poate explica o reflecție neobișnuită.

Legate de: Antarctica: Fundul acoperit de gheață al lumii în fotografii

Nimic din toate acestea nu este dovada că echipa ANITA a confundat niște gheață ciudată pentru o particulă în curs de dezvoltare, au scris autorii. Dar arată că ANITA singură probabil nu-i poate deosebi pe cei doi, precum și pe cei fizicieni gândiți.

"Experimentele viitoare nu ar trebui să utilizeze inversarea de fază [trecerea formei de undă de la UP-DOWN-up-down la DOWN-UP-down-up] ca unic criteriu pentru a discrimina între evenimentele descendente și cele aflate în continuă, cu excepția cazului în care proprietățile de reflecție ale subsolului. sunt bine înțeleși ”, au scris autorii.

Cu alte cuvinte, Antarctica este prea complicată pentru a fi tratată ca o simplă oglindă, fără un studiu atent. Cristalele îngropate sub suprafață pot juca trucuri. Și acele trucuri ar putea explica anomalia.

"Gheața este gheață - până nu este așa, nu?" A spus Horodyskyj .

Glaciologii folosesc undele radio pentru a studia gheața tot timpul, a spus ea. Radarul penetrant poate dezvălui caracteristici care nu sunt vizibile la suprafață. Dar aceste semnale sunt adesea dezordonate și interpretarea lor poate fi mai mult o artă decât o știință.

„Aveți toate aceste straturi diferite de densități care ar putea arunca întregul semnal”, a spus Horodyskyj. "Dacă aveți metal, reziduuri, roci, apă și gheață, acestea sunt foarte ușor de diferențiat. Toate au propriul lor semnal sau amprentă. Dar, odată ce intrați în aceste detalii despre gheață, este într-adevăr fascinant cum chiar și moale. schimbă semnalul. "

Nu este surprinzător, a spus ea, că aceste trăsături subtile de gheață ar putea crea o iluzie de fizică nouă.

Întrebări deschise

Fizicienii trebuie să vadă mai multe înainte să fie convinși într-un fel sau altul.

"Este o posibilă explicație", a spus Peter Gorham, fizician la Universitatea din Hawaii la Mānoa și lider al colaborării ANITA, "dar în opinia mea este destul de puțin probabil".

Cea mai neplăcută implicație a hârtiei șoferului, a spus Fox, este că orice caracteristică de gheață ar fi creat anomalia reflecta perfect semnalul.

În circumstanțe normale, un val care sări peste ceva nu sări curat - indiferent dacă este oglindit sau nu. De obicei, diferite lungimi de undă se reflectă în moduri diferite, a spus Fox, lăsând urme de ceea ce fizicienii numesc „procesare”.

"Chestia este că m-am uitat singur la val", a spus Fox, "și nu am văzut nimic care mi se părea ca procesare."

Dacă ceva reflecta valul până la ANITA, a făcut acest lucru fără a lăsa urme detectabile.

"Semnalul este foarte curat, destul de în concordanță cu alte raze cosmice normale pe care le-am observat. Nu există dovezi în date pentru perturbări semnificative ale semnalului în afara unei reflexii normale", a spus Gorham .

Lucrarea de cizmar oferă o explicație pentru acest lucru; cu structura de densitate potrivită, un reflector poate fi suficient de uniform pe diferite lungimi de undă pentru a procesa un semnal curat. Ar fi ca și cum ai avea o oglindă super curată.

În acest model cu oglindă curată, ar fi existat de fapt două explozii radio pentru fiecare anomalie ANITA. Una, reflecția „primară”, ar fi fost aruncată în modul în care ANITA se așteaptă. Dar dacă suprafața ar fi înclinată în mod corespunzător, aceasta ar fi respins de senzorii ANITA. Doar a doua izbucnire, acel ecou curat, fără oglindire, ar fi lovit receptorii ANITA.

"În timp ce este posibil, acest lucru pare să necesite o coincidență care este foarte dificil de evaluat: un strat subteran cu proprietăți corecte, combinat cu o pantă de suprafață, de asemenea, cu proprietățile corecte", a spus Gorham.

Cizmarul a spus că, atunci când a început să studieze anomalia ANITA, spera să găsească dovezi pentru fizica nouă; nu și-a propus să dezgroape constatarea.

În acest moment, totuși, el a spus: „Dacă cineva m-ar întreba 'Este un fel de neutrin sau axion steril nou sau ceva [dincolo de particulele modelului standard], sau este gheață?” Ar trebui să spun: „Este gheață”. Inversările de densitate firnică sunt lucruri pe care știm că există, fără a fi nevoie de fizică nouă. Deci, dacă ar trebui să pun un pariu, asta aș pune banii mei. "

Arătând riguros cât de răspândite sunt aceste tipuri de caracteristici în regiunea ANITA, echipa de cizmar a făcut un caz puternic că un fel de reflecție neobișnuită ar fi putut provoca anomalia ANITA, a spus Fox. Dar nu este încă o lovitură de cap pentru noua fizică. Pentru a confirma sau a respinge hârtia Cizmarului, ai avea nevoie de dovezi directe pentru acest tip de reflecție neobișnuită care se întâmplă în Antarctica.

Până acum, a spus Gorham, dovezile sunt în favoarea nimicului ciudat în gheață.

"Grupul ANITA a făcut numeroase studii asupra gheții antarctice și a publicat mai multe lucrări, de asemenea, în literatura de glaciologie, care se întoarce pentru un deceniu sau mai mult", a spus el. „Am studiat în detaliu prin altimetria satelitului și hărțile radar, localizarea acestor evenimente, iar pentru aceasta, în special, pare să nu existe nimic neobișnuit.”

El a adăugat că colaborarea ANITA are rezultate preliminare dintr-un studiu încă nepublicat care ar părea să contrazică ceea ce propunea Cizmarul și coautorii săi.

Lucrarea de cizmar a sugerat trimiterea unei echipe pe site-urile anomaliilor și să sară undele radio de pe gheață pentru a vedea ce se va întâmpla.

Horodyskyj a fost de acord cu această abordare.

"Ceea ce ai nevoie este adevărul temeinic", a spus ea.

Aceasta parte a Antarcticii este neobișnuit de pustie, chiar și pentru acel continent gol, a spus ea. Analizând literatura de glaciologie, a spus ea, a găsit puține date directe despre machiajul gheții în regiunea în care ANITA a observat anomaliile. Puține nuclee de gheață sau alte studii la sol oferă o imagine suficient de clară a gheții subterane.

"Ar trebui să vă dați seama: Care este amprenta experimentului din aerul pe care l-au făcut?" spuse ea, referindu-se la zona de gheață din care părea să provină particulele în curs de dezvoltare. „Dacă este 100 de 100 de metri, ai vrea să faci exact același lucru pe pământ: 100 de 100 de metri, grăbit, așezat marcaje și colțuri, iar apoi ai scoate radarul”.

Purtând un radar încet pe pământ, a spus ea, ar oferi suficiente detalii pentru a înțelege cu adevărat gheața. În funcție de logistică, puteți să-l plimbați pe peisaj, să schiați sau să folosiți un snowmobile.

Afișarea zonei bucată cu bucată ar putea dezvălui profunzimea tranzițiilor firn-ghețar și alte detalii care nu ar putea fi detectate de departe, a spus ea.

"În zona în care lucrează, este destul de uscat, astfel încât nivelul de firn se poate extinde cu adevărat adânc în comparație cu părțile de-a lungul coastei, unde se topesc mult mai mult", a spus ea. "Și atunci celălalt lucru pe care mi-ar plăcea să-l fac în mijlocul acelei grile ar fi [să] ia un miez de gheață."

Un tub lung de gheață fizic ar putea dezvălui cu ochiul liber orice straturi neașteptate care ar putea încurca cu semnale radio, a spus ea.

Până când nu se va face o cercetare suplimentară, Horodyskyj și Fox au fost de acord, va fi dificil de știut cu siguranță dacă explicația șoferului poate anula anomalia ANITA sau dacă aceste noi descoperiri vor fi excluse în întregime.

• Ce e aia? La întrebările dvs. de fizică a răspuns
• Cele mai mari 11 întrebări fără răspuns despre materia întunecată
• Cele 15 cele mai ciudate galaxii din universul nostru

Publicat inițial la .

OFERTA: Economisiți 45% pe „Cum funcționează„ Tot despre spațiu ”și„ Tot despre istorie ”!

Pentru o perioadă limitată de timp, puteți extrage un abonament digital la oricare dintre cele mai vândute reviste științifice pentru doar 2,38 USD pe lună sau 45% din prețul standard pentru primele trei luni.