L'
Antenna Transitoria Impulsiva Transitoria Antigua (ANITA), raffigurata qui poco prima di un lancio nel 2014, è un esperimento di fisica che ha rilevato emissioni misteriose provenienti dal profondo del ghiaccio dell'Antartide. Credit:
NASA e Balloon Program Office
C'è qualcosa di misterioso che fuoriesce dal terreno ghiacciato in Antartide e potrebbe cambiare la fisica come la conosciamo.
I fisici non sanno cosa sia esattamente. Ma sanno che si tratta di una sorta di raggio cosmico, una
particella ad alta energia che esplode nello spazio, in Terra e di nuovo fuori. Ma le particelle che i fisici conoscono -
la raccolta di particelle che costituiscono ciò che gli scienziati chiamano il modello standard (SM) della fisica delle particelle - non dovrebbero essere in grado di farle. Certo, ci sono
neutrini a bassa energia in grado di perforare miglia e miglia di roccia restando inalterate. Ma i neutrini ad alta energia, così come altre particelle ad alta energia, hanno "
grandi sezioni trasversali". Ciò significa che quasi sicuramente si schiantano contro qualcosa subito dopo aver fatto un salto nella Terra, non sono mai usciti dall'altra parte.
Eppure, da
marzo 2016 , i ricercatori sono rimasti sconcertanti per
due eventi accaduti in Antartide in cui i
raggi cosmici sono stati espulsi dalla Terra, e rilevati dall'antenna transitoria impulsiva (ANITA) della
NASA, un'antenna trasportata dal pallone che si sposta nel continente meridionale.
ANITA è stata progettata per recepire i raggi cosmici dallo spazio esterno, quindi la comunità scientifica che studia i
neutrini ad alta energia era ridondante di eccitazione quando
lo strumento ha rilevato particelle che sembravano esplose dalla Terra anziché zoomate dallo spazio. Poiché i
raggi cosmici non dovrebbero agire così, gli scienziati hanno iniziato a chiedersi se questi
raggi misteriosi non fossero fatti di
particelle mai viste ne conosciute prima.
Da allora, i fisici hanno proposto ogni sorta di spiegazioni per questi raggi cosmici che vanno "
verso l'alto", dai
neutrini sterili (neutrini che raramente entrano nella materia) alle "
distribuzioni atipiche della materia oscura all'interno della Terra", facendo riferimento alla misteriosa forma di
materia che non interagire con la luce [
I 18 più grandi misteri irrisolti in fisica ]
Tutte le spiegazioni erano intriganti e suggerivano che
ANITA avrebbe potuto rilevare una
particella non considerata nel Modello Standard. Ma nessuna delle spiegazioni ha dimostrato in modo conclusivo che qualcosa di più ordinario non avrebbe potuto causare segnale per ANITA.
Un nuovo documento
caricato oggi (26 settembre .18) sul server di
preprint arXiv lo cambia. In esso, un team di astrofisici della
Penn State University ha dimostrato che ci sono state varie
particelle ad alta energia andare verso l'alto rispetto a quelle rilevate durante i due eventi ANITA. Per tre volte, è stato scritto,
IceCube (un altro osservatorio di neutrini , il più grande, in
Antartide) ha rilevato particelle simili, sebbene nessuno avesse ancora collegato quegli eventi al mistero di ANITA. E, combinando i set di dati
IceCube e
ANITA, i ricercatori della Penn State hanno calcolato che, qualunque sia la particella che esplode dalla Terra, ha molto meno di una probabilità di
1 su 3,5 milioni di far parte del Modello Standard. (In termini tecnici, statistici, i loro risultati avevano confidenze di 5.8 e 7.0 sigma, a seconda di quale dei loro calcoli si guarda.)
LA FISICA S'INFRANGE
Derek Fox, l'autore principale del nuovo articolo, ha dichiarato di aver incontrato per la prima volta gli eventi ANITA nel maggio 2018, in uno dei primi articoli che tentavano di spiegarli.
"Era del tipo, 'Beh, questo modello non ha molto senso'", ha detto Fox a Live Science, "ma il risultato [ANITA] è molto intrigante, quindi ho iniziato a verificarlo. Ho iniziato a parlare con il mio vicino di casa Steinn Sigurdsson [il secondo autore sul giornale, che è anche alla Penn State], sul fatto che forse potremmo trarre alcune spiegazioni più plausibili dei documenti che sono stati pubblicati fino ad oggi. "
Fox,
Sigurdsson e i loro colleghi hanno iniziato a cercare eventi simili in dati raccolti da altri rilevatori. Quando si sono imbattuti in possibili eventi al rialzo nei dati
IceCube, ha detto, allora , si è reso conto che avrebbe potuto imbattersi in qualcosa di veramente rivoluzionario per la fisica. [
5 misteriose particelle in agguato sotterraneo ]
"Questo è quello che mi ha fatto davvero andare avanti, e guardare gli eventi ANITA con la massima serietà", ha detto, aggiungendo in seguito, "Questo è ciò per cui i fisici vivono. Rompere i modelli, stabilire nuovi vincoli [sulla realtà], imparare cose nuove sull'universo che non conoscevamo. "
Come ha
riferito in precedenza su
Live Science , la fisica sperimentale ad alta energia delle particelle è rimasta ferma negli ultimi anni. Quando nel 2009 è stato completato il
Large Hadron Collider (LHC) da $17 miliardi (di 27 chilometri) al confine tra Francia e Svizzera, gli scienziati hanno pensato di sbloccare i misteri della
supersimmetria:
la misteriosa classe teorica di particelle che gli scienziati sospettano potrebbero esistere al di fuori della fisica corrente, ma non hanno mai rilevato. Secondo la
supersimmetria (SM), ogni particella esistente nel modello standard ha un partner supersimmetrico. I ricercatori sospettano che questi partner esistano perché le masse di particelle conosciute sono alterate, non simmetriche l'una con l'altra.
"Anche se la SM funziona molto bene nello spiegare una pletora di fenomeni, ha ancora molti handicap", ha detto Seyda Ipek, un fisico delle particelle di UC Irvine, che non è stato coinvolto nella ricerca corrente. "Ad esempio, non può spiegare l'esistenza della materia oscura, [spiegare la stranezza matematica nelle masse di neutrini, o l'asimmetria materia-antimateria dell'universo."
Invece, il
LHC ha confermato il bosone di Higgs , l'ultima parte non rilevata del modello standard, nel 2012. E poi ha smesso di rilevare qualsiasi altra cosa importante o interessante. I ricercatori hanno iniziato a chiedersi se qualche esperimento di fisica esistente potrebbe mai rilevare una
particella supersimmetrica.
"
Abbiamo bisogno di nuove idee",
Jessie Shelton, un fisico teorico dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, lo ha dichiarato a Live Science a maggio, nello stesso periodo in cui la Fox si è interessato per la prima volta ai dati ANITA.
Ora, diversi scienziati non coinvolti nel documento della
Penn State hanno detto a Live Science che offre una solida (anche se incompleta) prova che qualcosa di nuovo è davvero arrivato.
"Era chiaro fin dall'inizio che se gli eventi anomali di ANITA erano dovuti a particelle che si erano propagate attraverso migliaia di chilometri di Terra, allora quelle particelle erano molto probabilmente non particelle di SM", ha detto Mauricio Bustamante, un astrofisico presso l'Istituto Niels Bohr di l'Università di Copenaghen, che non era autore della nuova carta.
"La carta apparsa oggi è il primo calcolo sistematico di quanto è improbabile che questi eventi siano dovuti a neutrini SM", ha aggiunto. "Il loro risultato disapprova fortemente una spiegazione SM".
"
Penso che sia molto avvincente", ha detto
Bill Louis, un fisico neutrino del Laboratorio Nazionale di Los Alamos che non è stato coinvolto nel lavoro ma ha seguito le ricerche sugli eventi
ANITA per diversi mesi.
Se la
particella del modello standard creasse queste anomalie, avrebbero dovuto essere neutrini. I ricercatori sanno che sia a causa delle particelle in cui sono decaduti, sia perché nessun'altra particella del modello standard non avrebbe nemmeno il frammento di una possibilità su un milione di farla passare attraverso la Terra.
Ma i neutrini di questa energia, ha detto Louis, non dovrebbero attraversare la Terra abbastanza spesso da
poter essere rilevati da
ANITA o
IceCube . Non si sa come funzionano. Ma i rivelatori di neutrini come ANITA e IceCube non rilevano direttamente neutrini. Mentre invece, rilevano le particelle in cui i neutrini si decompongono dopo essersi distrutti nell'atmosfera terrestre o nel ghiaccio antartico. E ci sono altri eventi che possono generare quelle particelle, innescando i rilevatori. Questo documento suggerisce fortemente che quegli eventi devono essere stati
supersimmetrici, ha detto Louis, anche se ha aggiunto che sono necessari più dati.
Fox e i suoi colleghi hanno continuato a sostenere che le particelle sono più probabilità di essere una sorta di
particella supersimmetrica teorica chiamata "
stau sleptons". I
sleptoni di Stau sono versioni supersimmetriche di una particella del modello standard denominata
tau lepton. La "
S" sta per "
supersimmetrica" (davvero). [
Sparticles to Neutrinos: The Coolest Little Particles nell'universo ]
Louis ha detto che in questa fase pensa che il livello di specificità sia "
un po troppo lungo".
Gli autori dispongono di un forte caso statistico che
nessuna particella convenzionale sarebbe in grado di viaggiare attraverso la Terra in questo modo, ha detto, ma non ci sono ancora dati sufficienti per esserne certi. E non vi è certamente abbastanza materiale da poter capire in modo definitivo quale sia la particella che ha fatto il viaggio.
Fox non ha contestato questo.
"Come osservatore, non c'è modo che io possa sapere che questo è uno stau", ha detto. "Dal mio punto di vista, vado a curiosare cercando di scoprire nuove cose sull'universo, mi imbatto in un fenomeno davvero bizzarro, e poi con i miei colleghi facciamo una piccola ricerca nella letteratura per vedere se qualcuno ha mai pensato che questo potesse accadere. E poi se troviamo articoli in letteratura, tra cui uno di 14 anni fa che predicono qualcosa proprio come questo fenomeno, questo mi prende davvero molto. "
Lui e i suoi colleghi hanno trovato una
lunga serie di
articoli dai teorici che prevedono che i dormiglioni potrebbero essere presentati così negli osservatori dei neutrini. E poiché questi documenti sono stati scritti prima dell'anomalia di
ANITA, ha detto Fox, ciò suggerisce fortemente a lui che quei teorici erano sulla traccia di qualcosa.
Ma rimangono ancora molte incertezze su questo fronte, ha detto. In questo momento, i ricercatori sanno solo che qualunque sia questa
particella, interagisce molto debolmente con altre particelle, altrimenti non sarebbe mai sopravvissuta al viaggio attraverso la massa densa del pianeta.
COSA C'È OLTRE
Ogni fisico che ha parlato con
Live Science ha convenuto che i ricercatori devono raccogliere più dati per verificare che
ANITA e
IceCube abbiano incrinato la
supersimmetria. È possibile, ha detto Fox, che quando i ricercatori di IceCube scavano nei loro archivi di dati, troveranno altri eventi simili che in precedenza erano passati inosservati. Louis e Bustamante hanno entrambi affermato che la
NASA dovrebbe eseguire più voli con ANITA per vedere se simili particelle rivolte verso l'alto si ripresentano.
"Per essere certi che questi eventi siano dovuti a fenomeni sconosciuti - per esempio, come le proprietà non mappate del ghiaccio antartico - vorremmo che anche altri strumenti rilevassero questo tipo di eventi", ha detto Bustamante.
A lungo termine, se questi risultati verranno confermati e i dettagli di ciò che le
particelle li stanno causando, diversi ricercatori hanno affermato che l'anomalia di
ANITA potrebbe sbloccare una
nuova fisica più grande e maggiore del
LHC.
"Qualsiasi osservazione di una particella non SM sarebbe un punto di svolta, perché ci dirà quale percorso dovremmo prendere dopo l'SM", ha detto Ipek. "Il tipo di particella [supersimmetrica] che affermano di aver prodotto segnali, lepton, è molto difficile da produrre e rilevare nel LHC."
"Quindi, è molto interessante se possono essere osservati da altri tipi di esperimenti. Naturalmente, se questo è vero, allora ci aspetteremo che una scala di altre particelle [supersimmetriche] venga osservata dal LHC, che sarebbe un test complementare delle affermazioni anzidette. "
In altre parole, le anomalie
ANITA potrebbero offrire agli scienziati le informazioni chiave necessarie per
sintonizzare correttamente l'
LHC per sbloccare più
supersimmetria. Questi esperimenti potrebbero persino fornire una spiegazione per
la materia oscura .
In questo momento, ha detto Fox, sono solo affamato di altri dati.
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