Vreemde signalen die zijn gedetecteerd uit Antarctisch ijs lijken wetten van fysica te trotseren. Wetenschappers zijn op zoek naar een antwoord

Meld u aan voor CNN’s Wonder Theory Science -nieuwsbrief. Verken het universum met nieuws over fascinerende ontdekkingen, wetenschappelijke vooruitgang en meer.

CNN
–

Wetenschappers proberen een decenniumlange mysterie op te lossen door de identiteit van afwijkende signalen te bepalen die van onder ijs in Antarctica zijn gedetecteerd.

De vreemde radiogolven kwamen naar voren tijdens een zoektocht naar een ander ongebruikelijk fenomeen: kosmische deeltjes met hoge energie bekend als neutrino’s. Aangekomen op aarde vanaf de verre uithoeken van de kosmos, worden neutrino’s vaak “spookachtig” genoemd omdat ze extreem vluchtig of dampig zijn en door elke vorm van materie kunnen gaan zonder te veranderen.

In het afgelopen decennium hebben onderzoekers meerdere experimenten uitgevoerd met behulp van uitgestrekte water en ijs die zijn ontworpen Zoek naar neutrino’sdie licht zou kunnen werpen op mysterieuze kosmische stralen, de meest energieke deeltjes in het universum. Een van deze projecten was NASA’s Antarctische impulsieve voorbijgaande antenne, of Anita, experiment, die ballonnen vlogen die instrumenten boven Antarctica droeg tussen 2006 en 2016.

Tijdens deze jacht pakte Anita abnormale radiogolven op die geen neutrino’s leken te zijn.

De signalen kwamen van onder de horizon, wat suggereert dat ze duizenden kilometers rots waren gegaan voordat ze de detector bereikten. Maar de radiogolven hadden door de rots moeten worden geabsorbeerd. Het Anita -team geloofde dat deze afwijkende signalen niet konden worden verklaard door het huidige begrip van de deeltjesfysica.

Vervolgobservaties en analyses met andere instrumenten, waaronder een recent uitgevoerd door het Pierre Auger Observatory in Argentinië, hebben niet dezelfde signalen kunnen vinden. De resultaten van de Pierre Auger -samenwerking werden gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven in maart.

De oorsprong van de abnormale signalen blijft onduidelijk, zei studie co -auteur Stephanie Wissel, universitair hoofddocent natuurkunde, astronomie en astrofysica aan de Pennsylvania State University.

“Onze nieuwe studie geeft aan dat dergelijke (signalen) niet door een experiment zijn gezien … zoals het Pierre Auger Observatory,” zei Wissel. “Dus het geeft niet aan dat er nieuwe fysica is, maar eerder meer informatie om aan het verhaal toe te voegen.”

Grotere, meer gevoelige detectoren kunnen mogelijk het mysterie oplossen, of uiteindelijk bewijzen of de abnormale signalen een toevalstreffer waren, terwijl ze de zoektocht naar enigmatische neutrino’s en hun bronnen voortzetten, zeggen wetenschappers.

Door neutrino’s op aarde te detecteren, kunnen onderzoekers ze traceren terug naar hun bronnen, die volgens wetenschappers in de eerste plaats kosmische stralen zijn die de atmosfeer van onze planeet raken.

De meest energieke deeltjes in het universum, kosmische stralen bestaan ​​voornamelijk uit protonen of atomaire kernen, en ze worden door het universum losgelaten, omdat wat ze ook produceert, zo’n krachtige deeltjesversneller is dat het de mogelijkheden van de grote Hadron Collider dwergt. Neutrino’s kunnen astronomen helpen kosmische stralen beter te begrijpen en wat hen in de kosmos lanceert.

Maar neutrino’s zijn moeilijk te vinden omdat ze bijna geen massa hebben en door de meest extreme omgevingen kunnen gaan, zoals sterren en hele sterrenstelsels, ongewijzigd. Ze interageren echter met water en ijs.

Anita is ontworpen om te zoeken naar de hoogste energie -neutrino’s in het universum, bij hogere energieën dan nog gedetecteerd, zei Justin Vandenbroucke, een universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Wisconsin, Madison. De radio-antennes van het experiment zoekt naar een korte puls van radiogolven geproduceerd wanneer een neutrino botst met een atoom in het Antarctische ijs, wat leidt tot een douche van lagere energie-deeltjes, zei hij.

Tijdens zijn vluchten vond Anita hoge energie-fonteinen van deeltjes die uit het ijs kwamen, een soort ondersteboven douche van kosmische stralen. De detector is ook gevoelig voor ultrahoge energie -kosmische stralen die op aarde regenen en een radio -burst creëren die werkt als een zaklampstraal van radiogolven.

Wanneer Anita naar een kosmische straal kijkt, is de zaklampstraal echt een uitbarsting van radiogolven een miljardste van een seconde lang die kan worden in kaart gebracht als een golf om te laten zien hoe het van het ijs reflecteert.

Tweemaal in hun gegevens van Anita -vluchten, zag het oorspronkelijke team van het experiment signalen die in een veel scherpere hoek door het ijs kwamen dan ooit door modellen voorspeld, waardoor het onmogelijk is om de signalen op hun oorspronkelijke bronnen te traceren.

“De radiogolven die we bijna tien jaar geleden hebben gedetecteerd, stonden op echt steile hoeken, zoals 30 graden onder het ijsoppervlak,” zei Wissel.

Neutrino’s kunnen door veel materie reizen, maar niet helemaal door de aarde, zei Vandenbroucke.

“Van hen wordt verwacht dat ze van iets onder de horizon aankomen, waar er niet veel aarde is om op te nemen,” schreef hij in een e -mail. “De anomale gebeurtenissen van Anita zijn intrigerend omdat ze van ver onder de horizon lijken te komen, dus de neutrino’s zouden door een groot deel van de aarde moeten reizen. Dit is niet mogelijk volgens het standaardmodel van deeltjesfysica.”

De Pierre Auger -samenwerking, die honderden wetenschappers over de hele wereld omvat, analyseerde meer dan een decennium aan gegevens om te proberen de abnormale signalen te begrijpen die door Anita zijn gedetecteerd.

Het team gebruikte ook hun observatorium om te proberen dezelfde signalen te vinden. Het Auger Observatory is een hybride detector die twee methoden gebruikt om kosmische stralen te vinden en te bestuderen. De ene methode is gebaseerd op het vinden van hoge energie-deeltjes terwijl ze interageren met water in tanks op het aardoppervlak, en de andere volgt potentiële interacties met ultraviolet licht hoog in de atmosfeer van onze planeet.

“Het Auger -observatorium maakt gebruik van een zeer andere techniek om ultrahoge energie -kosmische straal luchtdones te observeren, met behulp van de secundaire gloed van geladen deeltjes terwijl ze de atmosfeer doorkruisen om de richting van de kosmische straal te bepalen die het heeft geïnitieerd,” zei Peter Gorham, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Hawaii At Mānoa. “Door computersimulaties te gebruiken van hoe zo’n douche van deeltjes eruit zou zien als deze zich had gedragen als de anomale gebeurtenissen van Anita, kunnen ze een soort sjabloon genereren voor vergelijkbare gebeurtenissen en vervolgens hun gegevens zoeken om te zien of zoiets verschijnt.”

Gorham, die niet betrokken was bij het nieuwe onderzoek, ontwierp het Anita -experiment en heeft ander onderzoek uitgevoerd om meer te begrijpen over de abnormale signalen.

Terwijl het Auger Observatory werd ontworpen om naar beneden naar beneden gaande deeltjesdouches te meten die in de atmosfeer worden geproduceerd door ultrahigh-energy kosmische stralen, heeft het team hun gegevensanalyse opnieuw ontworpen om te zoeken naar naar boven naar gingende luchtdouches, zei Vandenbroucke. Vandenbroucke werkte niet aan de nieuwe studie, maar hij beoordeelde het voorafgaand aan de publicatie.

“Auger heeft een enorm verzamelgebied voor dergelijke evenementen, groter dan Anita,” zei hij. “Als de anomale gebeurtenissen van Anita worden geproduceerd door elk deeltje die door de aarde reist en vervolgens naar boven naartoe gingende douches produceert, had Auger veel van hen moeten detecteren, en dat deed het niet.”

A Afzonderlijke vervolgstudie Met behulp van het IceCube -experiment, met sensoren die diep in het Antarctische ijs zijn ingebed, zocht ook naar de abnormale signalen.

“Omdat IceCube erg gevoelig is, als de anomale gebeurtenissen van Anita neutrino’s waren, zouden we ze hebben gedetecteerd”, schreef Vandenbroucke, die diende als Colead van de IceCube Neutrino Sources Working Group tussen 2019 en 2022.

“Het is een interessant probleem omdat we nog steeds geen verklaring hebben voor wat die afwijkingen zijn, maar wat we wel weten is dat ze waarschijnlijk geen neutrino’s vertegenwoordigen,” zei Wissel.

Vreemd genoeg is een ander soort neutrino, een tau -neutrino genaamd, een hypothese die sommige wetenschappers de oorzaak hebben van de abnormale signalen.

Tau -neutrino’s kunnen regenereren. Wanneer ze vervallen bij hoge energieën, produceren ze een andere tau -neutrino, evenals een deeltje genaamd een tau lepton – vergelijkbaar met een elektron, maar veel zwaarder.

Maar wat het tau -neutrino -scenario zeer onwaarschijnlijk maakt, is de steilheid van de hoek die is verbonden met het signaal, zei Wissel.

“Je verwacht dat al deze Tau -neutrino’s heel, heel dicht bij de horizon zijn, zoals misschien een tot vijf graden onder de horizon,” zei Wissel. “Dit zijn 30 graden onder de horizon. Er is gewoon te veel materiaal. Ze zouden echt behoorlijk wat energie verliezen en niet detecteerbaar zijn.”

Aan het einde van de dag hebben Gorham en de andere wetenschappers geen idee wat de oorsprong van de abnormale Anita -gebeurtenissen zijn. Tot nu toe komen er geen interpretaties overeen met de signalen, wat wetenschappers terugtrekken om het mysterie op te lossen. Het antwoord kan echter in zicht zijn.

Wissel werkt ook aan een nieuwe detector, de lading voor ultrahoge energieobservaties of pueo, die een maand over Antarctica zal vliegen die begint in december. Groter en 10 keer gevoeliger dan Anita, zou Pueo meer informatie kunnen onthullen over wat de abnormale signalen veroorzaakt die door Anita zijn gedetecteerd, zei Wissel.

“Op dit moment is het een van deze al lang bestaande mysteries,” zei Wissel. “Ik ben opgewonden dat wanneer we pueo vliegen, we een betere gevoeligheid hebben. In principe moeten we deze afwijkingen beter kunnen begrijpen die een lange weg zullen gaan om onze achtergronden te begrijpen en uiteindelijk neutrino’s in de toekomst te detecteren.”

Gorham zei dat Pueo, een acroniem dat verwijst naar de Hawaiiaanse uil, de gevoeligheid zou moeten hebben om veel abnormale signalen vast te leggen en wetenschappers te helpen een antwoord te vinden.

“Soms moet je gewoon teruggaan naar de tekentafel en echt uitzoeken wat deze dingen zijn,” zei Wissel. “Het meest waarschijnlijke scenario is dat het een alledaagse fysica is die kan worden uitgelegd, maar we kloppen een beetje op alle deuren om te proberen erachter te komen wat die zijn.”