Yurii Mongol
0 
1758
256
Co kdyby se jeden z nejpodivnějších, nejvíce znepokojujících nálezů ve fyzice částic ukázal jako iluze?
Od března 2016 vědci zmatili dva záhadné signály z Antarktidy. Nyní se zdálo, že dvakrát vysoko se z ledu vynořila vysokoenergetická částice a detektory vypouštěly na balonovém experimentu vznášejícím se nad hlavou. Je to, jako by částice prošly celou Zemí nezraněné. Ale to by mělo být všechno, ale nemožné: Žádná ze známých částic, které jsou souhrnně popsány ve fyzikálním modelu známém jako standardní model, nemůže tuto cestu provést při vysokých úrovních energie.
Částice, které jsou jinak identické, mohou nést různé dávky energie a množství energie, kterou částice nese, může změnit její chování. Přízračné, nízkoenergetické neutrina mohou proklouznout skrz celou kůru planety, roztavenou horninu a železo. Ale nejsou dostatečně nabití, aby vytvořili signály nalezené v Antarktidě. Vysoce energetická neutrina jsou dostatečně silná, aby vytvořila signály. Ale protože tato vysokoenergetická neutrina mají větší „průřezy“ - mají dopad na větší oblast okolního prostoru - mají tendenci se třepetat do věcí, spíše než je proklouznout skrz ně. Je to rozdíl mezi házením mramoru rybářskou sítí a pokusem o střílení plážového míče skrz stejné mezery. Žádné známé vysokoenergetické neutrino by nemělo být schopné projít celou Zemi a vynořit se z antarktického ledu.
Příbuzný: 18 největších nevyřešených záhad ve fyzice
Fyzici nazvali dvě detekce jako „ANITA anomálie“, po antarktickém impulsivním přechodném anténu NASA (ANITA), detektoru ve vzduchu, který zachytil signály. Srovnali zjištění ANITA s výsledky z IceCube - mnohem větší neutrinové observatoře v Antarktidě - a našli větší podporu pro představu, že našli něco, co nikdo předtím neviděl. A brali vážně myšlenku, že by ANITA narazila na něco, co je za standardním modelem.
Nyní, v novém příspěvku zveřejněném 24. dubna v časopise Annals of Glaciology, společný tým fyziků a glaciologů tvrdí, že anomálie ANITA pravděpodobně není důkazem nové fyziky. Místo toho to může být jen trik ledu. Složité, skryté struktury v bílé planetě mohly odrazit rádiové vlny neočekávaným způsobem, čímž oklamaly rozhlasové přijímače ANITA do registrace částic, jako by přicházely zevnitř Země.
Jak anomálie fungovala
ANITA nikdy neměla v úmyslu lovit nové částice.
„Je to opravdu vskutku jednoduchý experiment,“ řekl Ian Shoemaker, fyzik ve Virginii Tech a hlavní autor nového článku. „Všechno, co v podstatě mají, je velký balón a na jeho spodní straně je spousta rozhlasových přijímačů. A vše, co detekují od jakékoli události, je radiový signál.“
Rádiové signály však mohou obsahovat velké množství informací o částicích v extrémně vysokém energetickém rozsahu.
Když byla postavena ANITA, byla navržena k lovu exotického druhu události předpovídané standardním modelem. Vysokoenergetické tau neutrina - jedna ze tří neutrinových příchutí spolu s neutrony elektronů a mionů - patří mezi nejvýraznější částice standardního modelu. Tato neutrina by měla zasáhnout Zemi docela často z hlubokého vesmíru. Ale je těžké je odhalit.
Příbuzný: 5 nepolapitelných částic, které se mohou skrývat ve vesmíru
Když tau neutrinos něco zasáhne a rozpadne, vytvoří další typ částice zvané tau. Doufalo se, že v Antarktidě by tau neutrinos občas zasáhl Zemi v mělkých úhlech, které by se rozpadly v ledu, a vytvořily by částici tau a charakteristický detekovatelný radiový signál z průchodu tau ledem. Tento rádiový signál má předvídatelný tvar vlny: velký hrot, velký pokles, menší hrot a menší pokles - tvar většinou určovaný magnetickým polem Země. A zasáhlo to ANITA zespodu a ze strany, důkaz o úhlu pohledu, kterým zasáhla planetu.
ANITA zachytila několik takových událostí, stejně jako signály z kosmických paprsků přicházejících přímo z Antarktidy z hlubokého vesmíru. Když se to stane, nabitá částice - možná proton - zasáhne atmosféru nad Antarktidou, vtrhne do sprchy menších nabitých částic a vytvoří rádiový výbuch, který se odrazí od ledu, než zasáhne ANITA. Tyto události opět produkují stejný tvar vlny jako tau neutrinos. Tvar je do značné míry určován magnetickým polem Země a nese jen slabé náznaky samotných částic, řekl Shoemaker .
Ale ANITA dokáže říct tau neutrino ze základního kosmického paprsku: Když rádiové vlny udeří na led a odrazí se na ANITA, jejich tvary se převrátí. ANITA místo toho, aby viděla UP-DOWN-up-down tau, který se dívá skrz led, vidí ANITA odrazenou DOWN-UP-down-up kosmického paprsku. A tyto signály kosmického paprsku mohou zasáhnout ANITA z jakéhokoli směru, když se odrazí od ledu.
Dvě anomálie ANITA se nehodily do žádné kategorie. V každém případě ANITA detekovala nezrcadlený průběh, který by naznačoval tau neutrin, UP-DOWN-up-down. Vlna zasáhla ANITA v tak ostrém úhlu, že kdyby přišla bez odrazu, musela by projít neuvěřitelně silným kusem Země.
Byl to signál, který konstruktéři ANITA neočekávali, když postavili detektor, a naznačoval možnost nových, neznámých částic, které vytryskly z Antarktidy..
Anomálie nebo iluze?
Po letech studia zůstávají fyzici bez anomálií jednoduché vysvětlení, řekl Derek Fox, odborník na neutrino na Pennsylvania State University. Fox, člen spolupráce IceCube, se nezúčastnil experimentu ANITA ani nového papíru.
Fyzici navrhli neobvyklá vysvětlení, která by neporušila standardní model. Fenomén známý jako „koherentní přechodné záření“ by se mohl zkazit s rádiovými vlnami pocházejícími ze sprchy kosmického záření, navrhli dva teoretici v březnu 2019. Nebo možná signály pocházejí z efektů temné hmoty v zrcadlovém vesmíru, březen 2018 navrženo.
Příbuzný: 5 důvodů, proč můžeme žít v multivesmíru
Fox však vysvětlil, že kromě těchto více vysvětlujících ohybů, „atmosférické nebo glaciální anomálie jsou do značné míry tím, co vám zbývá“, než se nová částice stane jediným vysvětlením..
(Je také možné, že nějaký instrumentální problém s ANITA mohl vyvolat signál, který řekl, ale to je pochybné vzhledem k tomu, jak technicky je tým ANITA technicky znalý.)
Přesto, řekl Fox, nikdo ještě nenabídl přesvědčivé vysvětlení toho, jak by účinky vzduchu nebo ledu mohly způsobit anomálie ANITA. To bylo předtím, než přišel tým Shoemaker, s jeho neobvyklou kombinací částicových fyziků, radiových odborníků a glaciologů.
Autoři nové studie předložili přímý argument: Když se rádiové vlny procházející vzduchem odrazí od hustého objektu, jako je horní vrstva ledu, jejich průběhy se převracejí tak, jak ANITA očekává. Existují však i jiné druhy odrazů, které by mohly senzory ANITA podvádět.
Když vlna procházející látkou s vysokou hustotou (jako je hornina) zasáhne látku s nižší hustotou (jako je voda), část energie vlny se odrazí zpět. Ale tento odraz vypadá odlišně od odrazu, ke kterému dochází, když vlna putuje z prostředí s nízkou hustotou (jako je vzduch) k objektu s vysokou hustotou (jako je led)..
Když cestujete dolů z antarktického nebe směrem do středu Země, jako sprcha kosmického paprsku se většinou setkáte s jedním hustším prostředím za druhým. Vzduch se stává silnějším a silnějším. Pak narazíš na led. Pak zasáhneš skálu. Pak skončíte v horkém hustém centru planety. Při každé z těchto přechodů by odrazná vlna vypadala přesně podle očekávání ANITA.
Ale v ledu jsou rysy, které se tomuto vzoru nehodí, zdůraznil Shoemaker a jeho kolegové. Zasypané trhliny, oblasti stresovaného krystalu známé jako „vrstvy ledové tkaniny“ a jezera kapalné vody pohřbené pod zamrzlou hladinou mohou odrážet rádiový signál kosmického paprsku, aniž by jej zrcadlily.
Výzkumníci však zjistili, že subglaciální jezera a zasněžené trhliny nejsou natolik běžné, aby bylo možné vysvětlit událost ANITA. Ledové textilie a další ledové rysy s nízkou hustotou, známé jako „větrné krusty“, by mohly vysvětlit anomálie. Glaciologové však nemají dobré znalosti o tom, jak jsou v regionu běžní. Shoemaker a jeho tým však napsal jako pravděpodobné vysvětlení dva rysy.
První je oheň, druh zmrzlé vody, která není tak měkká a sypká jako čerstvý sníh, ale dosud nebyla stlačena do jediného bloku ledu. Zpevňující vrstvy se tají, pohybují se a znovu a znovu mrazí znovu a znovu a vytvářejí vrstvy s vysokou a nízkou hustotou. Když ANITA zahlédla anomálie, nikdo v regionech nehledal palbu, ale v Antarktidě je rozšířený a může odrážet rádiové vlny, aniž by je odrážel.
Druhou možností je chrapot. Vrstvy hustého sněhu a ledu někdy skryjí slabší, drobivější vrstvy ledu, které mají nižší hustotu než led nad ním. Horolezci to znají a bojí se tohoto ledu, podle Ulyany Horodyskyjové, glaciologové na Colorado College, která se nezúčastnila ANITA ani ševcovské noviny. Když slabé chraplavé vrstvy sklouznou na úbočí hory, může se ledová režie zhroutit ve spěchu - událost známá jako lavina. Opět neexistuje žádný přímý důkaz pro tento druh dvojité vrstvy v oblasti ANITA. Ale v Antarktidě je chrapot rozšířený a může vysvětlovat neobvyklou reflexi.
Příbuzný: Antarktida: Ledem pokrytá spodní část světa na fotografiích
Nic z toho není důkazem toho, že tým ANITA si pomýlí trochu divného ledu pro vzestupnou částici. Ukazuje se však, že ANITA sama o sobě pravděpodobně nedokáže rozlišit oba, jak si mysleli fyzici.
„Budoucí experimenty by neměly používat fázovou inverzi [přechod tvaru vlny z UP-DOWN-up-down na DOWN-UP-down-up] jako jediné kritérium pro rozlišení mezi sestupnými a vzestupnými událostmi, ledaže vlastnosti odrazu pod povrchem jsou dobře pochopeny, “psali autoři.
Jinými slovy, Antarktida je příliš komplikovaná na to, aby s ní bylo zacházeno jako s jednoduchým zrcadlem bez pečlivého studia. Krystaly pohřbené pod povrchem mohou hrát triky. A tyto triky by mohly vysvětlit anomálii.
"Led je led - dokud není, že?" Řekl Horodyskyj .
Glaciologové používají radiové vlny ke studiu ledu po celou dobu, řekla. Pronikající radar může odhalit funkce, které nejsou na povrchu viditelné. Tyto signály jsou však často chaotické a jejich interpretace může být spíše uměním než vědou.
„Máte všechny tyto různé vrstvy hustot, které by mohly hodit celý signál,“ řekl Horodyskyj. „Máte-li kov, trosky, vodu a led, lze je snadno rozeznat. Všichni mají svůj vlastní signál nebo otisk prstu. Jakmile se však dostanete do těchto detailů ledu, je opravdu fascinující, jak dokonce i měkkost ledu změní signál. “
Není překvapivé, řekla, že tyto jemné ledové rysy by mohly vytvořit iluzi nové fyziky.
Otevřené otázky
Fyzici potřebují vidět víc, než budou přesvědčeni o tom, že jsou tak či onak.
„Je to možné vysvětlení,“ řekl Peter Gorham, fyzik na Havajské univerzitě v Mānoa a vůdce spolupráce ANITA, „ale podle mého názoru je docela nepravděpodobný.“
Nejhorší důsledek Shoemakerova papíru, Fox řekl, je, že ať už ledový rys mohl vytvořit anomálii, odrazil se signál dokonale.
Za normálních okolností se vlna odrážející od něčeho neodráží čistě - ať už je zrcadlová nebo ne. Fox říká, že různé vlnové délky se obvykle odrážejí různými způsoby, takže stopy po tom, co fyzici nazývají „zpracováním“.
„Jde o to, že jsem se podíval na vlnu sám,“ řekl Fox, „a neviděl jsem nic, co by vypadalo jako zpracování.“
Pokud něco odráží vlnu zpět k ANITA, učinilo tak bez zanechání detekovatelných stop.
"Signál je velmi čistý, zcela v souladu s jinými normálními kosmickými paprsky, které jsme pozorovali. V údajích nejsou žádné důkazy o významných poruchách signálu mimo normální odraz," řekl Gorham. .
Papír Shoemaker nabízí vysvětlení; se strukturou správné hustoty může být reflektor dostatečně jednotný napříč různými vlnovými délkami, aby zpracoval čistý signál. Bylo by to jako mít velmi čisté zrcadlo.
V tomto modelu čistého zrcadla by pro každou anomálii ANITA ve skutečnosti existovaly dva rádiové výboje. Jedna, „primární“ reflexe, by byla převrácena tak, jak ANITA očekává. Pokud by však byl povrch správně nakloněn, odrazilo by to od senzorů ANITA. Pouze druhý výboj, to čisté, nezrcadlené ozvěno, by zasáhlo přijímače ANITA.
"Zdá se, že je to možné, je-li to možné, náhoda, kterou je velmi obtížné posoudit: podpovrchová vrstva se správnými vlastnostmi v kombinaci se sklonem povrchu také se správnými vlastnostmi," řekl Gorham..
Shoemaker řekl, že když začal studovat anomálii ANITA, doufal, že najde důkazy pro novou fyziku; nepokusil se odhalit nález.
V tuto chvíli však řekl: „Kdyby se mě někdo chtěl zeptat:„ Je to nějaký nový sterilní neutrino nebo axion nebo něco [za částice standardního modelu], nebo je to led? “ Musel bych říct: „Je to led.“ Inverze v hustotě firmy jsou věci, které známe, aniž bychom vyžadovali novou fyziku. Takže kdybych musel vsadit, na to bych vložil své peníze. ““
Důkladným ukázáním toho, jak rozšířené jsou tyto rysy v oblasti ANITA, Shoemakerův tým učinil silný případ, že anomálie ANITA může způsobit nějaký neobvyklý odraz, řekla Fox. Ale pro novou fyziku to ještě není úder. K potvrzení nebo vyvrácení dokumentu Shoemaker potřebujete přímý důkaz tohoto neobvyklého odrazu v Antarktidě..
Gorham zatím řekl, že důkazy jsou pro nic zvláštního v ledu.
"Skupina ANITA provedla mnoho studií antarktického ledu a publikovala několik článků také v glaciologické literatuře, které sahají o deset a více let," řekl. „Podrobně jsme prostudovali satelitní satelity a radarové mapy, kde se tyto události nacházejí, a zdá se, že v tomto případě není nic neobvyklého.“
Dodal, že spolupráce ANITA má předběžné výsledky z dosud nezveřejněné studie, která by se zdála být v rozporu s tím, co Shoemaker a jeho spolupředsedové navrhují.
Papír Shoemaker navrhl vyslat tým na stránky anomálií a odrazit rádiové vlny z ledu, aby viděl, co by se stalo.
Horodyskyj s tímto přístupem souhlasil.
„To, co potřebujete, je pozemní pravda,“ řekla.
Tato část Antarktidy je neobvykle pustá, i pro tento prázdný kontinent, řekla. Při pohledu na glaciologickou literaturu našla málo přímých údajů o složení ledu v oblasti, kde ANITA zahlédla anomálie. Jen málo ledových jader nebo jiné terénní studie nabízejí dostatečně jasný obraz podpovrchového ledu.
„Museli byste přijít na to: Jaká byla stopa experimentu ze vzduchu, který udělali?“ řekla s odkazem na oblast ledu, z níž vypadala vzestupná částice. "Jestli je to 100 x 100 metrů, chtěli byste udělat totéž na zemi: 100 x 100 metrů, mřížkou ven, položit značky a rohy, a pak byste radaru vyjmout."
Řídit radar pomalu nad zemí, řekla, by nabídla dostatek detailů, aby skutečně pochopila led. V závislosti na logistice byste ji mohli projít krajinou, lyžovat nebo použít sněžný skútr.
Mapování oblasti po kousku by mohlo odhalit hloubku přechodu mezi ohněm a ledovcem a další podrobnosti, které by nebyly z dálky zjistitelné..
„Až v oblasti, kde pracují, je to docela suché, takže úroveň palby se může rozšířit opravdu hluboko ve srovnání s částmi podél pobřeží, kde je mnohem tání,“ řekla. "A pak další věc, kterou bych rád udělal uprostřed té mřížky, by bylo vzít ledové jádro."
Dlouhá, fyzická trubice ledu mohla pouhým okem odhalit neočekávané vrstvy, které by mohly pohrávat s rádiovými signály, řekla.
Dokud nebudou provedeny další výzkumy, Horodyskyj a Fox souhlasí, bude obtížné s jistotou vědět, zda Shoemakerovo vysvětlení může odhalit anomálii ANITA nebo zda tyto nové nálezy zcela vyloučit.
- Co je to? Na vaše otázky z fyziky jste odpověděli
- 11 největších nezodpovězených otázek o temné hmotě
- 15 nejpodivnějších galaxií v našem vesmíru
Původně publikováno dne .
NABÍDKA: Ušetřete 45% za „Jak to funguje“ Vše o vesmíru a Vše o historii!
Na omezenou dobu můžete uzavřít digitální předplatné kteréhokoli z našich nejprodávanějších vědeckých časopisů za pouhých 2,38 $ měsíčně nebo 45% slevu ze standardní ceny za první tři měsíce.Zobrazit nabídku
Zobrazit všechny komentáře (4)