Τα μπαλόνια και ο πάγος έχουν σπάσει το τυπικό μοντέλο;
Για κάτι που ονομάζεται Καθιερωμένο Μοντέλο, η θεμελιώδης θεωρία της σωματιδιακής φυσικής αντιμετωπίζει μια μακρά λίστα μη τυπικών δεδομένων. Οι ταλαντώσεις νετρίνων, η σκοτεινή ύλη και η ενέργεια, η ανισορροπία μεταξύ ύλης και αντιύλης, κβαντική βαρύτητα—υπάρχει ένας αυξανόμενος κατάλογος φυσικών φαινομένων που δεν φαίνεται να ταιριάζουν.
Τώρα μπορεί να υπάρξει μια νέα καταχώρηση. Πριν από δύο χρόνια, ένα πείραμα που γεννήθηκε με μπαλόνια που επέπλεε ψηλά πάνω από τον πάγο της Ανταρκτικής και αναζητούσε νετρίνα είδε κάτι ασυνήθιστο:υπογραφές σωματιδίων να ταξιδεύουν επάνω έξω από τη Γη σε γωνίες που υποδηλώνουν ότι είχαν περάσει μέσα από 5000 χιλιόμετρα βράχου. Τα σωματίδια είχαν ενέργειες που ήταν αρκετά υψηλές ώστε το Καθιερωμένο Μοντέλο να απαγορεύσει αυτό το είδος απρόσεκτης αδιαφορίας για την ύλη.
Τα στοιχεία προκάλεσαν μια σειρά από εικασίες. Μερικά, όπως η αποσυντιθέμενη σκοτεινή ύλη μέσα στη Γη, ή μια νέα μορφή νετρίνου, αντιπροσώπευαν νέα φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο. Άλλα ήταν πιο εγκόσμια:Τα σήματα θα μπορούσαν να προέρχονται, για παράδειγμα, από κάποια απρόσμενη φυσική που έκαναν ένα κανονικό, καθοδικό νετρίνο να μοιάζει σαν να ταξιδεύει προς τα πάνω.
Στη συνέχεια, πριν από δύο εβδομάδες, μια ομάδα φυσικών από το Πανεπιστήμιο Penn State επεσήμανε ότι οι δύο ανιχνεύσεις ANITA, συν τρεις ασυνήθιστες ανιχνεύσεις νετρίνων σε ένα εντελώς διαφορετικό πείραμα - που ονομάζεται IceCube, επίσης στην Ανταρκτική - θα μπορούσαν όλα να εξηγηθούν από μια αλυσίδα συγκρούσεων σωματιδίων και φθορές που αφορούσαν το stau.
Το stau είναι ένα υποθετικό, μη ανιχνευμένο σωματίδιο που προτείνεται από την υπερσυμμετρία. Σύμφωνα με την υπερσυμμετρία, κάθε σωματίδιο φερμιόνιου -όπως τα ηλεκτρόνια ή τα σωματίδια ταυ- έχει έναν συνεργάτη με διαφορετικό σπιν (το σπιν είναι μια κβαντομηχανική ιδιότητα των υποατομικών σωματιδίων). Αυτοί οι σούπερ σύντροφοι, για ευκολία, φέρουν τα ονόματα των κανονικών (μη σούπερ) διδύμων τους, αλλά προηγούνται με ένα «s». Ο υπερσύντροφος του ηλεκτρονίου είναι το επίλεκτρο. Ο υπερσύντροφος του tau είναι ο stau.
Εάν αποδεικνυόταν η υπερσυμμετρία, θα είχε τη δυνατότητα να λύσει πολλά εξαιρετικά προβλήματα στη φυσική, συμπεριλαμβανομένης ενδεχομένως της σκοτεινής ύλης. Η ομάδα από το Penn υπολόγισε την πιθανότητα ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο θα μπορούσε να εξηγήσει τα δεδομένα - είναι μικροσκοπικά - και υποστήριξε ότι τα τρία συμβάντα IceCube, τα οποία επί του παρόντος ερμηνεύονται ως τυπικά ίχνη σωματιδίων μιονίων, είναι πραγματικά το αποτέλεσμα του ταυ και του υπερσυνεργάτη του. P>
Συνάντησα τον Derek Fox, τον πρώτο συγγραφέα μιας προεκτύπωσης που δημοσίευσε η ομάδα, την περασμένη εβδομάδα.
Πόσο πρόβλημα είναι αυτά τα συμβάντα για το Τυπικό μοντέλο;
Τα δύο γεγονότα της ANITA έρχονται σε σαφή αντίθεση με το Καθιερωμένο Μοντέλο. Το τυπικό μοντέλο είναι νεκρό για αυτά τα γεγονότα. δεν μπορείς να το κάνεις. Αποκλείεται σε μερικά μέρη σε ένα τρισεκατομμύριο. Τα τρία συμβάντα του IceCube υπόκεινται σε μεγαλύτερη ασάφεια επειδή υπάρχει εξήγηση για το τυπικό μοντέλο. Ο τελικός αριθμός μας εκεί είναι 91 τοις εκατό εμπιστοσύνη ότι τα γεγονότα IceCube αποκλίνουν από το Τυπικό μοντέλο. Αυτό δεν είναι υψηλό επίπεδο εμπιστοσύνης. Σε ορισμένες περιπτώσεις, δεν θα το δημοσιεύατε καν. Απλώς το συμπεριλαμβάνουμε στο έγγραφό μας επειδή πιστεύουμε ότι είναι πολύ ενδιαφέρον στο πλαίσιο.
Πώς προτείνετε να δημιουργήθηκαν τα ανώμαλα γεγονότα;
Είναι μια πολύ τρελή αλυσίδα γεγονότων. Ένα νετρίνο εξαιρετικά υψηλής ενέργειας από αστροφυσική πηγή χτυπά τη Γη και περνά μέσα από την ατμόσφαιρα χωρίς να το προσέχει. Μέσα στη Γη, φτάνει μόνο μερικές εκατοντάδες χιλιόμετρα, μετά αλληλεπιδρά και δημιουργεί ένα ζεύγος σωματιδίων πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Ένα σωματίδιο του ζεύγους, που ονομάζεται stau, θα ταξιδέψει στη συνέχεια μερικές χιλιάδες επιπλέον χιλιόμετρα μέσω της Γης πριν αποσυντεθεί.
Πώς μπορεί το stau να ταξιδέψει σε τόσο μεγάλο μέρος της Γης πριν αποσυντεθεί;
Το stau είναι ο υπερσυμμετρικός συνεργάτης του tau. Διασπάται στο λεπτόνιο ταυ (το οποίο επίσης ονομάζουμε ταυ), το οποίο είναι ένα γνωστό σωματίδιο τυπικού μοντέλου, συν το υπερσυμμετρικό σωματίδιο ελάχιστης μάζας, το οποίο είναι υποψήφιο για τη σκοτεινή ύλη. Αλλά η υποψήφια σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά πολύ ασθενώς. Επομένως, ο ρυθμός διάσπασης του stau σε αυτό το σωματίδιο, συν το tau, είναι σχετικά χαμηλός. Ζει πολύ περισσότερο από οποιοδήποτε σωματίδιο τυπικού μοντέλου σε αυτή τη μάζα. Είναι σαν ένα μεγάλο φορτηγό Mack που ταξιδεύει στη Γη.
Τι συμβαίνει μετά την αποσύνθεση του stau;
Το υποψήφιο σωματίδιο της σκοτεινής ύλης που παράγει είναι για όλες τις προθέσεις και σκοπούς μη ανιχνεύσιμο, επομένως διαφεύγει. Το ταυ που παράγει μπορεί να φτάσει περίπου 100 χιλιόμετρα πριν διασπαστεί σε ένα ταυ νετρίνο, το οποίο μπορεί να διανύσει άλλα 200 χιλιόμετρα. Εάν το νετρίνο ταυ αποσυντεθεί, τότε κάνει το ταυ ξανά σε ένα είδος διαδικασίας αναγέννησης. Τελικά, αν είστε τυχεροί, το ταυ νετρίνο κάνει ένα ταυ αρκετά κοντά στην επιφάνεια της Γης ώστε το ίδιο το ταυ να διαφύγει πριν αποσυντεθεί. Εάν διαφύγει και αποσυντεθεί στην ατμόσφαιρα, θα κάνει ένα ντους αέρα όπως αυτό που είδε η ANITA.
Γιατί δεν διασπάται το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης;
Στα υπερσυμμετρικά μοντέλα, το μικρότερης μάζας υπερσυμμετρικό σωματίδιο είναι σταθερό για δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτό συμβαίνει επειδή συνοδεύεται από μια νέα συμμετρία και μια νέα αρχή διατήρησης. Εάν το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης διασπάται μόνο του, παραβιάζει αυτήν την αρχή διατήρησης. Είναι κάτι σαν τη διάσπαση ενός ηλεκτρονίου. Το ηλεκτρόνιο είναι το φορτισμένο σωματίδιο με τη μικρότερη μάζα και επομένως δεν διασπάται, δόξα τω Θεώ. Φανταστείτε πόσο πιθανό θα ήταν να είμαστε εδώ αν τα ηλεκτρόνια διασπώνται.
Η σειρά που προτείνετε φαίνεται σαν σύμπτωση. Οι αριθμοί πρέπει να είναι ακριβώς ευθυγραμμισμένοι για να μπορούμε να δούμε οτιδήποτε από αυτά.
Συμφωνώ απόλυτα μαζί σου ότι έχουμε κάποια τρελή κοσμική σύμπτωση. Οι ιδιότητες αυτού του σωματιδίου συν τις ιδιότητες της διάχυτης ροής των νετρίνων υψηλής ενέργειας που χτυπούν τη Γη πρέπει να είναι σωστές για να συμβεί αυτό. Και τότε, η Γη πρέπει να έχει ένα ορισμένο μέγεθος και μια ατμόσφαιρα ορισμένης πυκνότητας που να είναι διαφανής με έναν συγκεκριμένο τρόπο. είναι λίγο τρελό. Το σκεφτόμουν όταν επιτέλους κατάλαβα αυτό το σενάριο και ένιωσα ότι, ω θεέ μου, αυτό συνέβαινε σε όλη μας τη ζωή. Συμβαίνει αυτή τη στιγμή στη Γη. Αυτά τα τρελά νετρίνα υψηλής ενέργειας αλληλεπιδρούν στον φλοιό και κάνουν αυτά τα τρελά υπερσυμμετρικά σωματίδια, που ουρλιάζουν μέσα από τη Γη και μετά μέσα από μια αλυσίδα διασπάσεων, δημιουργούν ανερχόμενες βροχές κοσμικών ακτίνων, που ξεπροβάλλουν σαν μικρά ρωμαϊκά κεριά. Και αυτό συμβαίνει εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια, για ολόκληρη την ιστορία της ανθρωπότητας. Οι δεινόσαυροι ήταν εδώ και εκεί υπήρχαν αυτές οι τρελές βροχές κοσμικών ακτίνων που ξεσπούσαν από την επιφάνεια του πλανήτη.
Εκτός από τα επερχόμενα ντους που βλέπει η ANITA, υποστηρίζετε ότι τα taus ανιχνεύονται επίσης από το IceCube. Πώς;
Εάν το ταυ βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια της Γης και διασχίζει τον πάγο του ανιχνευτή IceCube, τότε θα αφήσει μια υπογραφή τύπου ίχνους στον ανιχνευτή IceCube. Υποστηρίζουμε ότι η ευκολότερη εξήγηση για μερικά από τα ίχνη πολύ υψηλής ενέργειας στα δεδομένα του IceCube είναι τα σωματίδια ταυ εξαιρετικά υψηλής ενέργειας.
Πώς κάνατε την αναζήτησή σας στις εκδηλώσεις του IceCube;
Η συνεργασία του IceCube αποφάσισε ότι επρόκειτο να δημοσιεύσει έναν κατάλογο των συμβάντων τους πάνω από μια ενέργεια αποκοπής 200 TeV. Αυτός ο κατάλογος περιλαμβάνει 36 εκδηλώσεις. Ευτυχώς, αυτά είναι τα γεγονότα που μας ενδιαφέρουν πραγματικά για τον εντοπισμό πιθανών κρυφών SEECR, όπως τα ονομάζουμε (Sub-EeV Earth-emergent Cosmic Rays). Αυτά είναι τα δεδομένα που χρησιμοποιήσαμε και νομίζω ότι έχουμε τρεις αρκετά καλούς υποψήφιους tau. Ίσως είναι δυνατό να γίνει μια πιο λεπτομερής ανάλυση των δεδομένων που διαθέτει το IceCube. Το ταυ είναι 17 φορές πιο μαζικό από το μιόνιο [Ed:στο οποίο αποδίδονται επί του παρόντος τα τρία υποψήφια ίχνη] και υποψιάζομαι ότι πρέπει απλώς να έχει κάποιου είδους αντίκτυπο στο μοτίβο της εναπόθεσης φωτός στους ανιχνευτές. Αλλά δεν μπορώ να το αποδείξω. Δεν έχω έτοιμη ανάλυση. Έχω μερικές ιδέες πώς να το κάνω αυτό.
Γιατί το IceCube δεν αναγνώρισε αυτά τα κομμάτια ότι προέρχονται από σωματίδια ταυ;
Το IceCube είναι ένα σύνολο ανιχνευτών φωτογραφίας σε πάγο. Όταν ένα άκρως σχετικιστικό φορτισμένο σωματίδιο περνά μέσα από τον πάγο, εκτοξεύει αυτό το είδος ηλεκτρομαγνητικής ηχητικής έκρηξης μπλε φωτός Cherenkov. Αυτό εντοπίζει το IceCube. Χρησιμοποιώντας όλες αυτές τις ανιχνεύσεις φωτονίων, οι επιστήμονές του ανακατασκευάζουν τη γωνία και την τροχιά του σωματιδίου. Αλλά η μέτρηση του φωτός δεν σας λέει τη μάζα του σωματιδίου ή την ενέργειά του. Σας λέει τον παράγοντα Lorentz, που είναι η ενέργεια διαιρούμενη με τη μάζα. Έτσι, αν γνωρίζετε ότι είναι ένα μιόνιο, τότε γνωρίζετε τη μάζα και μετά γνωρίζετε την ενέργεια. Αλλά, αν κάνετε λάθος και είναι στην πραγματικότητα ένα ταυ, αφού το ταυ είναι 17 φορές πιο μαζικό από το μιόνιο, η εκτίμηση της ενέργειάς σας είναι 17 φορές πολύ χαμηλή. Εάν ένα ή δύο taus γλίστρησαν μέσα, πώς θα το ξέρατε; Η απάντηση είναι ότι δεν θα το κάνατε, εκτός αν ψάξετε να τα αναζητήσετε συγκεκριμένα, κάτι που κάναμε. Δεν υπάρχει πόνος στον αντίχειρα.
Ήσουν ο πρώτος που υποψιάστηκες καμουφλαρισμένα κομμάτια ταου στο IceCube;
Δεν ήμασταν οι πρώτοι. Το χαρτί που το πιστώνω περισσότερο από κάθε άλλο είναι των Kistler και Laha. Το έτος έκδοσης είναι το 2018, αλλά στην πραγματικότητα κυκλοφόρησε στο arXiv πέρυσι, επομένως κυκλοφορεί εδώ και ενάμιση χρόνο στο σημείο του. Προσδιόρισαν αυτό το συγκεκριμένο γεγονός, το IceCube 140611, για το οποίο αφιερώνουμε μια ολόκληρη ενότητα στην εργασία μας να μιλάμε. Είπαν ότι οι ιδιότητες του συμβάντος είναι πραγματικά περίεργες αν νομίζετε ότι είναι ένα μιόνιο, και ίσως έχουν πιο νόημα αν το αντιμετωπίζετε ως ταυ, παρόλο που όταν το αντιμετωπίζετε ως ταυ, είναι σε πολύ υψηλότερη ενέργεια και επομένως είναι ένα πολύ λιγότερο πιθανό είδος νετρίνου να συναντήσει το IceCube. Πραγματικά αυτό που κάναμε είναι να βάλουμε λίγους σκληρούς αριθμούς. Ποτέ δεν έβαλαν κανένα διακύβευμα στο έδαφος σχετικά με τη στατιστική απίθανη εμφάνιση αυτού του γεγονότος και το κάναμε τώρα. Εντοπίσαμε επίσης δύο ακόμη υποψήφια γεγονότα.
Αν βλέπουμε νέα στοιχεία για την υπερσυμμετρία, τι σημαίνει αυτό για τη φυσική;
Αν σκεφτείτε το Καθιερωμένο μοντέλο ως ένα Lagrangian που αντανακλά όλα τα γνωστά σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις αυτών των σωματιδίων, τότε η προοπτική του διπλασιασμού των όρων στο Lagrangian, όπως κάνετε στις υπερσυμμετρικές θεωρίες, είναι μια αρκετά δραματική αλλαγή στην εικόνα μας για το σύμπαν. . Ένα από τα μεγάλα αξιοθέατα της υπερσυμμετρίας είναι ότι μας προσφέρει έναν πραγματικό υποψήφιο για τη σκοτεινή ύλη, στο υπερσυμμετρικό σωματίδιο εταίρου με τη χαμηλότερη μάζα.
Τι γίνεται αν όλα αυτά είναι σφάλμα υλικού;
Απλά είναι αδύνατο. Μπορείτε να προχωρήσετε και να μιλήσετε με τους ανθρώπους της ANITA αν θέλετε, αλλά αυτά τα συμβάντα εντοπίζονται σε πολλές πτήσεις με πολλαπλές κεραίες ραδιοφώνου η καθεμία. Η χαρακτηριστική υπογραφή στις κεραίες και στις συχνότητες είναι σύμφωνη με την ερμηνεία του ντους αέρα. Είμαστε πολύ πιο πέρα από το πρόβλημα υλικού σε αυτό το σημείο.
Ποιες εναλλακτικές εξηγήσεις εξετάζει η ομάδα της ANITA;
Κάπως διαβάζω φύλλα τσαγιού εδώ, αλλά νομίζω ότι μπορεί να ανησυχούν ότι είναι πιθανό ένα ντους με κοσμικές ακτίνες να εκτελεί διπλή αναπήδηση στο δρόμο του, έτσι ώστε να χτυπήσει στον πάγο και να επιστρέψει στην εγκατάσταση, που θα μιμούνταν μια άμεση παρατήρηση. Αλλά, ειλικρινά, νομίζω ότι αυτό είναι εξαιρετικά απίθανο να συμβεί.
Γιατί ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) δεν έχει δει αυτό το σωματίδιο;
Τα πειράματα Atlas και CMS στο LHC αναζητούσαν σωματίδια ύπνου, συμπεριλαμβανομένου του stau, από τότε που ενεργοποιήθηκε ο LHC. Δεν το έχουν βρει ακόμα, αλλά πίεσαν την κάτω μάζα που δεσμεύεται για το stau προς τα πάνω με τον καιρό. Απλώς δεν έχουν αρκετά δεδομένα ακόμα.
Ποιο είναι το εύρος των πιθανών μαζών για το stau;
Η υπερσυμμετρία ουσιαστικά σπάει εάν η κλίμακα για τις υπερσυμμετρικές μάζες σωματιδίων εταίρου ξεπεράσει τα 1.000 GeV. Και χρειαζόμαστε μάζα μεγαλύτερη από, ας πούμε, τα 400 GeV για να αποφύγουμε την παραγωγή γεγονότων που θα είχαν εμφανιστεί στις αναζητήσεις LHC μέχρι στιγμής.
Γιατί χρησιμοποιήσατε προσομοιώσεις Monte Carlo στην εργασία σας;
Ήμασταν πολύ ευγνώμονες στην ομάδα Alvarez-Muñiz που συγκέντρωσε το λογισμικό Monte Carlo που χρησιμοποιήσαμε. Η Γη δεν είναι μια ενιαία ομοιογενής σφαίρα ομοιόμορφης πυκνότητας - όπως λένε οι φυσικοί, δεν είναι μια σφαιρική αγελάδα - και έτσι, εάν θέλετε πραγματικά να απαντήσετε σε αυτό το ερώτημα πόσο συχνά ένα νετρίνο ταυ μπορεί να διαδοθεί στη Γη και να δημιουργήσει μια εξερχόμενη ταυ Η μακρινή πλευρά, η συνειδητοποίηση του Μόντε Κάρλο είναι ο δρόμος που πρέπει να κάνουμε. Το λογισμικό πηγαίνει νετρίνο με νετρίνο και το παρακολουθεί μέσω της Γης. Είναι κάπως πέρα από τις δυνατότητες του μολυβιού και του χαρτιού, κυρίως λόγω της διαδικασίας αναγέννησης.
Πώς αισθάνεστε που βοηθάτε στην ερμηνεία τέτοιων δυνητικά επαναστατικών δεδομένων;
Θα έλεγα ότι κανείς δεν είναι πιο έκπληκτος από μένα. Αλλά κάπως έτσι έπεσε στην αγκαλιά μου. Από τότε που συνειδητοποίησα πόσο όμορφα ενώνονταν όλα τα κομμάτια του παζλ, πριν από περίπου ένα μήνα, προσπαθούσα να σταθώ στο ύψος των περιστάσεων. Δουλεύοντας πολύ σκληρά και προσπαθώντας να εξετάσουμε όλες τις πλευρές:Πιθανώς αρνητικές ή αρνητικές πτυχές, τρόπους με τους οποίους το πράγμα δεν λειτουργεί, πιο πολλά υποσχόμενοι δρόμοι μελλοντικής έρευνας, υψηλότερες προτεραιότητες, τέτοια πράγματα. Ήταν ένα πραγματικό σπριντ—29 ημέρες από την πραγματοποίηση έως την υποβολή στο arXiv.
Αυτή είναι μια ιλιγγιώδης ταχύτητα για την επιστήμη.
Είναι ιλιγγιώδες. Αυτό στην πραγματικότητα είναι λίγο πολύ σωστό. Ήμουν λίγο κουρελιασμένος.
Ο Michael Segal είναι αρχισυντάκτης Nautilus.
Εικόνα από το Drummermean / Wikimedia.
