Vreemde ijsformaties hebben natuurkundigen misschien misleid om mysterieuze deeltjes te zien die er niet waren

Wat als een van de vreemdste, meest verontrustende bevindingen in de deeltjesfysica een illusie zou blijken te zijn??

Sinds maart 2016 hebben twee mysterieuze signalen van Antarctica onderzoekers verbijsterd. Tweemaal nu leek een hoogenergetisch deeltje recht uit het ijs te barsten, detectoren in werking getreden tijdens een door een ballon gedragen experiment dat boven het hoofd zweefde. Het is alsof de deeltjes ongedeerd door de hele aarde zijn gegaan. Maar dat zou zo goed als onmogelijk moeten zijn: geen van de bekende deeltjes, die gezamenlijk worden beschreven in een natuurkundig model dat bekend staat als het standaardmodel, kan die reis maken met hoge energieniveaus.

Deeltjes die verder identiek zijn, kunnen verschillende ladingen energie dragen, en de hoeveelheid energie die een deeltje vervoert, kan zijn gedrag veranderen. Spookachtige, energiezuinige neutrino's kunnen ongestoord door de hele aardkorst, gesmolten gesteente en ijzer glippen. Maar ze hebben niet genoeg kracht om de signalen op Antarctica te creëren. Hoogenergetische neutrino's zijn krachtig genoeg om de signalen te creëren. Maar aangezien deze hoger-energetische neutrino's grotere "dwarsdoorsneden" hebben - ze treffen een groter gebied van de omringende ruimte - hebben ze de neiging om tegen dingen aan te botsen in plaats van er doorheen te glippen. Het is het verschil tussen een knikker door een visnet gooien en proberen een strandbal door dezelfde gaten te schieten. Geen enkele bekende hoogenergetische neutrino zou in staat moeten zijn om de hele aarde te passeren en uit Antarctisch ijs te komen.

Verwant: De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde

Natuurkundigen noemden de twee detecties de "ANITA-anomalie", naar NASA's Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA), de detector in de lucht die de signalen oppikte. Ze vergeleken de bevindingen van ANITA met de resultaten van IceCube - een veel groter neutrino-observatorium op Antarctica - en vonden meer steun voor het idee dat ze iets hadden gevonden dat niemand eerder had gezien. En ze namen het idee serieus dat ANITA misschien op iets was gestuit dat verder ging dan het standaardmodel.

Nu, in een nieuw artikel dat op 24 april in het tijdschrift Annals of Glaciology is gepubliceerd, beweert een gezamenlijk team van natuurkundigen en glaciologen dat de ANITA-anomalie waarschijnlijk geen bewijs is voor nieuwe fysica. In plaats daarvan is het misschien gewoon een trucje van het ijs. Complexe, verborgen structuren in de witte uitgestrektheid kunnen radiogolven op onverwachte manieren hebben gereflecteerd, waardoor de radio-ontvangers van ANITA voor de gek werden gehouden door het deeltje te registreren alsof het van binnenuit de aarde kwam.

Hoe de anomalie werkte

ANITA was nooit bedoeld om op nieuwe deeltjes te jagen.

"Het is in zekere zin een heel, heel eenvoudig experiment", zegt Ian Shoemaker, een natuurkundige bij Virginia Tech en hoofdauteur van het nieuwe artikel. 'Het enige dat ze in feite hebben is een grote ballon, en aan de onderkant ervan zijn een aantal radio-ontvangers bevestigd. En alles wat ze van een gebeurtenis detecteren, is een radiosignaal.'

Maar radiosignalen kunnen veel informatie bevatten over deeltjes in het extreem hoge energiebereik.

Toen ANITA werd gebouwd, was het ontworpen om op een exotisch soort gebeurtenis te jagen, voorspeld door het standaardmodel. Hoogenergetische tau-neutrino's - een van de drie neutrinosmaken samen met elektronen- en muon-neutrino's - behoren tot de meest ongrijpbare deeltjes in het standaardmodel. Deze neutrino's zouden de aarde vrij vaak vanuit de ruimte moeten treffen. Maar ze zijn moeilijk te detecteren.

Verwant: 5 ongrijpbare deeltjes die mogelijk op de loer liggen in het universum

Wanneer tau-neutrino's iets raken en vervallen, produceren ze een ander type deeltje, een tau genaamd. De hoop was dat op Antarctica tau-neutrino's de aarde soms onder voldoende ondiepe hoeken zouden raken, zodat ze in het ijs zouden vervallen, waarbij ze een tau-deeltje en een karakteristiek, detecteerbaar radiosignaal zouden produceren van de doorgang van de tau door het ijs. Dat radiosignaal heeft een voorspelbare golfvorm: een grote piek, een grote dip, een kleinere piek en een kleinere dip - een vorm die grotendeels wordt bepaald door het magnetisch veld van de aarde. En het zou ANITA van onderaf en van opzij raken, een bewijs van de kijkhoek waarmee het de planeet trof.

ANITA heeft een handvol van dergelijke gebeurtenissen opgevangen, evenals signalen van kosmische straling die vanuit de verre ruimte rechtstreeks naar Antarctica komt. Wanneer dat gebeurt, raakt een geactiveerd deeltje - misschien een proton - de atmosfeer boven Antarctica, barst in een regen van kleinere geladen deeltjes en produceert een radiostoot die weerkaatst op het ijs voordat het ANITA raakt. Nogmaals, deze gebeurtenissen produceren dezelfde golfvorm als de tau-neutrino's. De vorm wordt grotendeels bepaald door het magnetisch veld van de aarde en bevat slechts vage hints van de deeltjes zelf, vertelde Shoemaker .

Maar ANITA kan een tau-neutrino onderscheiden van een fundamentele kosmische straling: wanneer de radiogolven het ijs raken en omhoog stuiteren bij ANITA, veranderen hun vormen. Dus in plaats van OMHOOG-OMLAAG-omhoog-omlaag te zien van een tau die door het ijs gluurt, ziet ANITA het weerkaatste OMLAAG-OMHOOG-omlaag-omhoog van een kosmische straal. En deze kosmische stralingssignalen kunnen ANITA vanuit elke richting raken terwijl ze tegen het ijs kaatsen.

De twee anomalieën van ANITA pasten niet in beide categorieën. In elk geval detecteerde ANITA de niet-gespiegelde golfvorm die een tau-neutrino zou suggereren, OMHOOG-OMLAAG-omhoog-omlaag. Maar de golf trof ANITA in een hoek die zo scherp was dat om te arriveren zonder te stuiteren, het door een onmogelijk dik stuk aarde zou moeten gaan..

Het was een signaal dat de ontwerpers van ANITA niet hadden verwacht toen ze de detector bouwden, en het wees op de mogelijkheid dat nieuwe, onbekende deeltjes uit Antarctica zouden opspatten..

Anomalie of illusie?

Na jaren van studie hebben natuurkundigen geen gemakkelijke verklaring voor de anomalieën, zei Derek Fox, een neutrino-expert aan de Pennsylvania State University. Fox, een lid van de IceCube-samenwerking, was niet betrokken bij het ANITA-experiment of de nieuwe paper.

Natuurkundigen hadden een aantal ongebruikelijke verklaringen aangedragen die het standaardmodel niet zouden breken. Een fenomeen dat bekend staat als "coherente overgangsstraling" zou kunnen hebben geknoeid met de radiogolven die afkomstig zijn van een kosmische straalregen, suggereerden twee theoretici in maart 2019. Of misschien kwamen de signalen van donkere materie-effecten in een spiegeluniversum, een artikel uit maart 2018. voorgesteld.

Verwant: 5 redenen waarom we in een multiversum kunnen leven

Maar afgezien van deze meer verbijsterende verklaringen, vertelde Fox, "atmosferische of glaciale anomalieën zijn zo ongeveer wat je overhoudt" voordat een nieuw deeltje de enige verklaring wordt..

(Het is ook mogelijk dat een instrumenteel probleem met ANITA het signaal heeft geproduceerd dat hij zei, maar dat is twijfelachtig gezien de technische vaardigheid van het ANITA-team.)

Toch, zei Fox, had nog niemand een overtuigende verklaring gegeven voor hoe lucht- of ijseffecten de ANITA-afwijkingen konden veroorzaken. Dat was voordat het team van Shoemaker kwam, met zijn ongebruikelijke combinatie van deeltjesfysici, radio-experts en glaciologen.

De auteurs van de nieuwe studie voerden een duidelijk argument aan: wanneer radiogolven die door de lucht gaan, weerkaatsen op een dicht object, zoals de bovenste ijslaag, draaien hun golfvormen zoals ANITA verwacht. Maar er zijn andere soorten reflecties die de sensoren van ANITA kunnen misleiden.

Wanneer een golf die door een stof met een hoge dichtheid (zoals steen) gaat, een stof met een lagere dichtheid (zoals water) raakt, zal een deel van de energie van de golf teruggekaatst worden. Maar die weerkaatsing ziet er anders uit dan die optreedt wanneer een golf van een omgeving met lage dichtheid (zoals lucht) naar een object met hoge dichtheid (zoals ijs) reist.

Terwijl je van de Antarctische hemel naar het midden van de aarde reist, zoals de regen van een kosmische straal, zul je meestal de ene na de andere dichtere omgeving tegenkomen. De lucht wordt dikker en dikker. Dan raak je ijs. Dan raak je rock. Dan kom je terecht in het hete, dichte centrum van de planeet. Bij elk van die overgangen zou een stuiterende golf er precies uitzien zoals ANITA verwacht.

Maar er zijn kenmerken in het ijs die niet in dat patroon passen, merkten Shoemaker en zijn collega's op. Met sneeuw bedekte spleten, gebieden met gestrest kristal die bekend staan ​​als 'lagen van ijsweefsel' en meren met vloeibaar water die onder het bevroren oppervlak zijn begraven, kunnen allemaal het radiosignaal van een kosmische straling reflecteren zonder het te spiegelen.

Maar subglaciale meren en met sneeuw bedekte kloven zijn niet gebruikelijk genoeg om een ​​waarschijnlijke verklaring te zijn voor het ANITA-evenement, vonden de onderzoekers. IJsweefsels en een ander ijselement met een lage dichtheid dat bekend staat als 'windkorstjes', zouden de anomalieën kunnen verklaren, zeiden ze. Maar glaciologen weten niet goed hoe vaak ze in de regio voorkomen. Twee kenmerken vallen echter op als waarschijnlijke verklaringen, schreven Shoemaker en zijn team.

De eerste is firn, een soort bevroren water dat niet zo zacht en los is als verse sneeuw, maar nog niet tot één blok ijs is samengeperst. Firn-lagen smelten, bewegen en bevriezen keer op keer, waardoor lagen met een hoge en lage dichtheid ontstaan. Niemand heeft naar firn gezocht in de regio's toen ANITA de anomalieën zag, maar het is wijdverbreid op Antarctica en kan radiogolven reflecteren zonder ze te spiegelen.

De andere mogelijkheid is hoar. Lagen van dikke sneeuw en ijs verbergen soms zwakkere, kruimelige ijslagen met een lagere dichtheid dan het ijs erboven. Bergbeklimmers kennen en zijn bang voor dit ijs, volgens Ulyana Horodyskyj, een glacioloog aan het Colorado College die niet betrokken was bij ANITA of Shoemaker's paper. Wanneer zwakke hoarlagen op berghellingen uitglijden, kan het ijs boven ons in een haast instorten - een gebeurtenis die bekend staat als een lawine. Nogmaals, er is nog geen direct bewijs voor dit soort dubbele laag in het ANITA-gebied. Maar hoar is wijdverspreid op Antarctica en zou een ongebruikelijke weerspiegeling kunnen verklaren.

Verwant: Antarctica: de met ijs bedekte bodem van de wereld op foto's

Niets van dat alles is het bewijs dat het ANITA-team een ​​vreemd ijs aanzag voor een opkomend deeltje, schreven de auteurs. Maar het laat zien dat ANITA alleen de twee waarschijnlijk niet kan onderscheiden, zo dachten natuurkundigen.

"Toekomstige experimenten mogen fase-inversie [de schakelaar van de golfvorm van OMHOOG-OMLAAG-omhoog-omlaag naar OMLAAG-OMHOOG-omlaag-omhoog] niet gebruiken als het enige criterium om onderscheid te maken tussen neergaande en opgaande gebeurtenissen, tenzij de reflectie-eigenschappen onder het oppervlak worden goed begrepen, "schreven de auteurs.

Met andere woorden, Antarctica is te gecompliceerd om zonder zorgvuldige studie als een simpele spiegel te behandelen. De kristallen die onder het oppervlak zijn begraven, kunnen trucs uithalen. En die trucs kunnen de anomalie verklaren.

'IJs is ijs - totdat het dat niet is, toch?' Vertelde Horodyskyj .

Glaciologen gebruiken radiogolven om de hele tijd ijs te bestuderen, zei ze. Een doordringende radar kan kenmerken onthullen die aan de oppervlakte niet zichtbaar zijn. Maar die signalen zijn vaak rommelig en het interpreteren ervan kan meer een kunst dan een wetenschap zijn.

'Je hebt al deze verschillende dichtheidslagen die het hele signaal kunnen geven', zei Horodyskyj. "Als je metaal, puin, rotsen, water en ijs hebt, zijn die heel gemakkelijk van elkaar te onderscheiden. Ze hebben allemaal hun eigen signaal of vingerafdruk. Maar als je eenmaal in deze details van ijs komt, is het echt fascinerend hoe zelfs de zachtheid van ijs verandert het signaal. "

Het is niet verwonderlijk, zei ze, dat deze subtiele ijskenmerken een illusie van nieuwe fysica zouden kunnen creëren.

Open vragen

Natuurkundigen moeten meer zien voordat ze op de een of andere manier overtuigd zijn.

"Het is een mogelijke verklaring", zei Peter Gorham, een natuurkundige aan de Universiteit van Hawaï in Mānoa en leider van de ANITA-samenwerking, "maar naar mijn mening vrij onwaarschijnlijk."

De meest verbijsterende implicatie van Shoemaker's paper, zei Fox, is dat welk ijselement dan ook de anomalie heeft veroorzaakt, het signaal perfect weerkaatst..

Onder normale omstandigheden stuitert een golf die ergens tegenaan stuitert niet netjes - of hij nu gespiegeld is of niet. Verschillende golflengten worden meestal op verschillende manieren gereflecteerd, zei Fox, waarbij hij sporen naliet van wat natuurkundigen 'verwerking' noemen.

'Het punt is dat ik zelf naar de golf heb gekeken,' zei Fox, 'en ik heb niets gezien dat op verwerking leek.'

Als iets de golf weer naar ANITA weerkaatste, deed het dat zonder detecteerbare sporen achter te laten.

"Het signaal is erg schoon, geheel in lijn met andere normale kosmische straling die we hebben waargenomen. Er zijn geen aanwijzingen in de gegevens voor significante verstoringen van het signaal buiten een normale reflectie", vertelde Gorham. .

De Shoemaker paper biedt hiervoor een verklaring; met de juiste dichtheidsstructuur kan een reflector uniform genoeg zijn over verschillende golflengten om een ​​schoon signaal te verwerken. Het zou net zoiets zijn als een superschone spiegel.

In dit schone spiegelmodel zouden er in feite twee radioflitsen zijn geweest voor elke ANITA-anomalie. Een daarvan, de "primaire" reflectie, zou zijn omgedraaid zoals ANITA verwacht. Maar als het oppervlak correct zou hellen, zou het wegstuiteren van de sensoren van ANITA. Alleen de tweede burst, die zuivere, niet-gespiegelde echo zou de ontvangers van ANITA hebben geraakt.

"Hoewel dit mogelijk is, lijkt dit een toeval te vereisen dat erg moeilijk te beoordelen is: een ondergrondse laag met precies de juiste eigenschappen, gecombineerd met een oppervlaktehelling die ook de juiste eigenschappen heeft", zei Gorham.

Shoemaker zei dat toen hij begon met het bestuderen van de ANITA-anomalie, hij hoopte bewijs te vinden voor nieuwe fysica; hij was niet van plan de bevinding te ontkrachten.

Op dit punt zei hij echter: "Als iemand mij zou vragen 'Is dit een soort nieuwe steriele neutrino of axion of zoiets [meer dan standaardmodeldeeltjes], of is het ijs?' Ik zou moeten zeggen: 'Het is ijs.' Firn-dichtheidsinversies zijn dingen waarvan we weten dat ze bestaan, zonder dat er nieuwe fysica voor nodig is. Dus als ik een weddenschap moest plaatsen, zou ik daar mijn geld op zetten. "

Door rigoureus te laten zien hoe wijdverbreid dit soort functies zijn in de ANITA-regio, heeft het team van Shoemaker een sterk argument gemaakt dat een soort van ongewone reflectie de ANITA-anomalie zou kunnen hebben veroorzaakt, zei Fox. Maar het is nog geen overweldigende klap voor nieuwe fysica. Om de Shoemaker-paper te bevestigen of te weerleggen, zou je direct bewijs nodig hebben voor dit soort ongewone reflecties op Antarctica.

Tot dusverre, zei Gorham, zijn er bewijzen voor niets vreemds in het ijs.

"De ANITA-groep heeft veel onderzoek gedaan naar Antarctisch ijs en heeft ook verschillende artikelen in de glaciologieliteratuur gepubliceerd, die al een decennium of langer teruggaan", zei hij. "We hebben de locatie van deze gebeurtenissen in detail bestudeerd via satelliethoogtemetingen en radarkaarten, en met name voor deze gebeurtenis lijkt er niets ongewoons te zijn."

Hij voegde eraan toe dat de ANITA-samenwerking voorlopige resultaten heeft van een nog niet gepubliceerde studie die in tegenspraak lijkt te zijn met wat Shoemaker en zijn co-auteurs voorstelden..

De krant Shoemaker stelde voor om een ​​team naar de locaties van de anomalieën te sturen en radiogolven van het ijs te laten weerkaatsen om te zien wat er zou gebeuren.

Horodyskyj was het met die benadering eens.

'Wat je nodig hebt, is grondwaarheid,' zei ze.

Dit deel van Antarctica is ongewoon verlaten, zelfs voor dat lege continent, zei ze. Als ze door de glaciologieliteratuur keek, zei ze, vond ze weinig directe gegevens over de samenstelling van het ijs in de regio waar ANITA de anomalieën ontdekte. Er zijn maar weinig ijskernen of ander onderzoek op de grond dat een voldoende duidelijk beeld geeft van het ondergrondse ijs.

'Je zou moeten uitzoeken: wat is de voetafdruk van het experiment vanuit de lucht dat ze hebben gedaan?' zei ze, verwijzend naar het gebied met ijs waar het opgaande deeltje vandaan leek te komen. "Als het 100 bij 100 meter is, zou je precies hetzelfde willen doen op de grond: 100 bij 100 meter, met een rooster, markeringen en de hoeken plaatsen, en dan zou je de radar uitschakelen."

Een radar langzaam over de grond dragen, zei ze, zou genoeg details bieden om het ijs echt te begrijpen. Afhankelijk van de logistiek kun je ermee door het landschap lopen, skiën of een sneeuwscooter gebruiken.

Door het gebied stuk voor stuk in kaart te brengen, zou de diepte van firn-naar-gletsjerovergangen en andere details kunnen worden onthuld die van ver niet detecteerbaar zouden zijn, zei ze..

"In het gebied waar ze aan het werk zijn, is het behoorlijk droog, zodat het firnpeil erg diep kan reiken in vergelijking met delen langs de kust waar veel meer smelt," zei ze. 'En dan is het andere dat ik graag zou willen doen in het midden van dat raster, een ijskern nemen.'

Een lange, fysieke buis van ijs zou met het blote oog alle onverwachte lagen kunnen onthullen die kunnen knoeien met radiosignalen, zei ze.

Tot dat aanvullend onderzoek is gedaan, waren Horodyskyj en Fox het erover eens, zal het moeilijk zijn om zeker te weten of de uitleg van Shoemaker de anomalie van ANITA kan ontkrachten of dat deze nieuwe bevindingen volledig kunnen worden uitgesloten..

• Wat is dat? Uw natuurkundige vragen beantwoord
• De 11 grootste onbeantwoorde vragen over donkere materie
• De 15 vreemdste sterrenstelsels in ons universum

Oorspronkelijk gepubliceerd op .

AANBIEDING: Bespaar 45% op 'How It Works' All About Space 'en' All About History '!

Voor een beperkte tijd kun je een digitaal abonnement nemen op een van onze bestverkochte wetenschappelijke tijdschriften voor slechts $ 2,38 per maand, of 45% korting op de standaardprijs voor de eerste drie maanden.