Ons beste model van deeltjesfysica barst uit zijn voegen terwijl het worstelt om alle gekheid in het universum te beheersen. Nu lijkt het waarschijnlijker dan ooit dat het zou knallen, dankzij een reeks vreemde gebeurtenissen op Antarctica ...
De dood van dit heersende natuurkundige paradigma, het standaardmodel, wordt al tientallen jaren voorspeld. Er zijn hints van zijn problemen in de fysica die we al hebben. Vreemde resultaten van laboratoriumexperimenten suggereren flikkeringen van spookachtige nieuwe soorten neutrino's die verder gaan dan de drie die zijn beschreven in het standaardmodel. En het universum lijkt vol donkere materie die geen enkel deeltje in het standaardmodel kan verklaren.
Maar recent verleidelijk bewijs kan op een dag die vage gegevensstrengen samenbrengen: sinds 2016 zijn er ultrahoge energiedeeltjes door het ijs van Antarctica gestraald, waardoor detectoren zijn geactiveerd in het Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) -experiment, een machine bungelend aan een NASA-ballon ver boven het bevroren oppervlak.
Zoals WordsSideKick.com in 2018 meldde, komen die gebeurtenissen - samen met verschillende aanvullende deeltjes die later zijn ontdekt bij het begraven Antarctische neutrino-observatorium IceCube - niet overeen met het verwachte gedrag van deeltjes uit het standaardmodel. De deeltjes zien eruit als ultra-energetische neutrino's. Maar ultra-energetische neutrino's zouden de aarde niet mogen passeren. Dat suggereert dat een ander soort deeltje - eentje dat nog nooit eerder is gezien - zichzelf in de koude zuidelijke hemel gooit.
Nu, in een nieuw artikel, heeft een team van natuurkundigen die aan IceCube werken grote twijfel geuit over een van de laatst overgebleven verklaringen van het standaardmodel voor deze deeltjes: kosmische versnellers, gigantische neutrinokanonnen die zich in de ruimte verstoppen en die periodiek intense neutrinokogels op de aarde zouden afvuren. Een verzameling hyperactieve neutrinowapens ergens in onze noordelijke hemel had genoeg neutrino's de aarde in kunnen schieten, zodat we deeltjes zouden detecteren die uit de zuidpunt van onze planeet schieten. Maar de IceCube-onderzoekers vonden geen enkel bewijs van die verzameling, wat suggereert dat er nieuwe fysica nodig is om de mysterieuze deeltjes te verklaren.
Om te begrijpen waarom, is het belangrijk om te weten waarom deze mysteriedeeltjes zo verontrustend zijn voor het standaardmodel.
Neutrino's zijn de zwakste deeltjes die we kennen; ze zijn moeilijk te detecteren en bijna massaal. Ze passeren de hele tijd onze planeet - meestal afkomstig van de zon en komen zelden of nooit in botsing met de protonen, neutronen en elektronen waaruit ons lichaam en het vuil onder onze voeten bestaan.
Maar ultra-energetische neutrino's uit de verre ruimte verschillen van hun energiezuinige neven. Veel zeldzamer dan energiezuinige neutrino's, ze hebben bredere "doorsneden", wat betekent dat ze eerder botsen met andere deeltjes wanneer ze er doorheen gaan. De kans dat een neutrino met ultrahoge energie de aarde helemaal intact maakt, is zo klein dat je nooit zou verwachten dat het zou gebeuren. Daarom waren de ANITA-detecties zo verrassend: het was alsof het instrument twee keer de loterij had gewonnen en IceCube had het nog een paar keer gewonnen zodra het kaartjes begon te kopen.
En natuurkundigen weten met hoeveel loten ze moesten werken. Veel ultra-energetische kosmische neutrino's komen voort uit de interacties van kosmische straling met de kosmische microgolfachtergrond (CMB), de zwakke nagloeiing van de oerknal. Af en toe werken die kosmische stralen op precies de juiste manier samen met de CMB om hoogenergetische deeltjes op aarde af te vuren. Dit wordt de 'flux' genoemd en het is overal in de lucht hetzelfde. Zowel ANITA als IceCube hebben al gemeten hoe de kosmische neutrinoflux eruitziet voor elk van hun sensoren, en het produceert gewoon niet genoeg hoogenergetische neutrino's die je zou verwachten om zelfs maar één keer een neutrino uit de aarde te vliegen bij beide detectoren .
"Als de door ANITA gedetecteerde gebeurtenissen tot deze diffuse neutrino-component behoren, had ANITA veel andere gebeurtenissen onder andere elevatiehoeken moeten meten", zegt Anastasia Barbano, natuurkundige van de Universiteit van Genève die aan IceCube werkt.
Maar in theorie zouden er ultra-energetische neutrinobronnen kunnen zijn die verder gaan dan de hemelbrede flux, vertelde Barbano aan WordsSideKick.com: die neutrinowapens of kosmische versnellers.
'Als het geen kwestie is van neutrino's die worden geproduceerd door de interactie van ultra-hoogenergetische kosmische straling met de CMB, dan kunnen de waargenomen gebeurtenissen neutrino's zijn die worden geproduceerd door individuele kosmische versnellers in een bepaald tijdsinterval' of een onbekende aardse bron, Zei Barbano.
Blazars, actieve galactische kernen, gammastraaluitbarstingen, starburst-sterrenstelsels, melkwegfusies en gemagnetiseerde en snel draaiende neutronensterren zijn allemaal goede kandidaten voor dat soort versnellers, zei ze. En we weten dat kosmische neutrino-versnellers in de ruimte bestaan; in 2018 volgde IceCube een hoogenergetische neutrino terug naar een blazar, een intense straal deeltjes afkomstig uit een actief zwart gat in het centrum van een ver sterrenstelsel.
ANITA pikt alleen de meest extreme hoogenergetische neutrino's op, zei Barbano, en als de opwaarts vliegende deeltjes kosmische versnellers waren, versterkte neutrino's van het standaardmodel - hoogstwaarschijnlijk tau-neutrino's - dan had de straal moeten komen met een douche van lagere -energiedeeltjes die de energiezuinige detectoren van IceCube zouden hebben geactiveerd.
"We hebben gezocht naar gebeurtenissen in zeven jaar IceCube-gegevens", zei Barbano - gebeurtenissen die overeenkwamen met de hoek en de lengte van de ANITA-detecties, die je zou verwachten te vinden als er een aanzienlijke batterij kosmische neutrino-kanonnen op de aarde zou vuren om deze opgaande deeltjes te produceren. Maar niemand kwam opdagen.
Hun resultaten elimineren niet volledig de mogelijkheid van een acceleratorbron die er is. Maar ze beperken het scala aan mogelijkheden wel degelijk, en elimineren alle meest plausibele scenario's met kosmische versnellers en vele minder plausibele scenario's.
'De boodschap die we aan het publiek willen overbrengen, is dat een astrofysische uitleg van het standaardmodel niet werkt, hoe je het ook snijdt', zei Barbano.
Onderzoekers weten niet wat de toekomst biedt. Noch ANITA, noch IceCube is een ideale detector voor de noodzakelijke vervolgonderzoeken, zei Barbano, waardoor de onderzoekers zeer weinig gegevens overhouden om hun veronderstellingen over deze mysterieuze deeltjes te baseren. Het is een beetje zoals proberen de afbeelding op een gigantische puzzel uit slechts een handvol stukjes te halen.
Op dit moment lijken veel mogelijkheden te passen in de beperkte gegevens, waaronder een vierde soort 'steriele' neutrino buiten het standaardmodel en een reeks theoretische soorten donkere materie. Elk van deze verklaringen zou revolutionair zijn. Hjh Maar er is er nog geen sterk favoriet.
'We moeten wachten op de volgende generatie neutrinodetectoren', zei Barbano.
