Uma equipe recupera a Antena Transiente Impulsiva Antártica (Anita) da NASA após um vôo bem-sucedido.
Crédito: Divisão Antártica Australiana
Há algo misterioso vindo do solo congelado na Antártica, e isso poderia quebrar a física como a conhecemos.
Os físicos não sabem exatamente o que é. Mas eles sabem que é algum tipo de raio cósmico - uma partícula de alta energia que explode no espaço, na Terra e volta novamente. Mas as partículas que os físicos conhecem - a coleção de partículas que compõem o que os cientistas chamam de Modelo Padrão (SM) da física de partículas - não deveria ser capaz de fazer isso. Claro, existem neutrinos de baixa energia que podem atravessar quilômetros e quilômetros de rochas sem serem afetados. Mas os neutrinos de alta energia, assim como outras partículas de alta energia, têm "grandes seções cruzadas". Isso significa que eles quase sempre colidirão com algo logo depois de zipar na Terra e nunca conseguirem sair do outro lado.
E, no entanto, desde março de 2016 , os pesquisadores se debruçaram sobre dois eventos na Antártida, onde raios cósmicos irromperam da Terra e foram detectados pela ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna), uma antena transmitida por balões que sobrevoa o sul do continente.
ANITA é projetada para caçar raios cósmicos do espaço sideral, então a comunidade de neutrinos de alta energia estava zumbindo de excitação quando o instrumento detectou partículas que pareciam estar explodindo da Terra em vez de zunindo do espaço. Como os raios cósmicos não deveriam fazer isso, os cientistas começaram a se perguntar se esses feixes misteriosos são feitos de partículas nunca antes vistas.
Desde então, os físicos propuseram todo tipo de explicações para esses raios cósmicos "ascendentes", de neutrinos estéreis (neutrinos que raramente atingem a matéria) até " distribuições atípicas de matéria escura dentro da Terra", referenciando a forma misteriosa da matéria que não Não interaja com a luz
Todas as explicações foram intrigantes e sugeriram que ANITA poderia ter detectado uma partícula não contabilizada no Modelo Padrão. Mas nenhuma das explicações demonstrou conclusivamente que algo mais comum não poderia ter causado o sinal em ANITA.
Um novo artigo enviado hoje (26 de setembro) para o arXiv do servidor de pré-impressão muda isso. Nele, uma equipe de astrofísicos da Universidade Estadual da Pensilvânia mostrou que houve mais partículas de alta energia do que as detectadas durante os dois eventos ANITA. Três vezes, eles escreveram, IceCube (outro observatório maior de neutrinos na Antártica)detectaram partículas semelhantes, embora ninguém tenha ainda conectado esses eventos ao mistério da ANITA. E, combinando os conjuntos de dados IceCube e ANITA, os pesquisadores da Penn State calcularam que, qualquer que seja a partícula que esteja explodindo da Terra, ela tem muito menos que uma chance de 3,5 milhões de fazer parte do Modelo Padrão. (Em termos técnicos, estatísticos, seus resultados tinham confidências de 5,8 e 7,0 sigma, dependendo de qual dos seus cálculos você está olhando.)
Quebrando a física
Derek Fox, o principal autor do novo artigo, disse que se deparou pela primeira vez com os eventos ANITA em maio de 2018, em um dos primeiros artigos tentando explicá-los.
"Eu estava tipo, 'Bem, este modelo não faz muito sentido'", Fox disse ao Live Science, "mas o resultado [ANITA] é muito intrigante, então eu comecei a verificar isso. Eu comecei a conversar com meu vizinho Steinn Sigurdsson [o segundo autor no papel, que também está na Penn State] sobre se talvez pudéssemos lançar algumas explicações mais plausíveis do que os artigos que foram publicados até agora. "
Fox, Sigurdsson e seus colegas começaram a procurar eventos semelhantes em dados coletados por outros detectores. Quando eles se depararam com possíveis eventos ascendentes nos dados do IceCube, ele disse que percebeu que poderia ter encontrado algo realmente revolucionário para a física.
A instalação de superfície para o experimento IceCube, localizado em quase 1,6 km de gelo na Antártida. O IceCube sugere que não existem neutrinos fantasmagóricos, mas um novo experimento diz que eles existem.
Crédito: Cortesia de IceCube Neutrino Observatory
"Isso é o que realmente me levou, e olhando para os eventos Anita com a maior seriedade", disse ele, acrescentando depois: "É para isso que os físicos vivem. Quebrando modelos, estabelecendo novas restrições [na realidade], aprendendo coisas sobre o universo nós não sabíamos. "
Como a Live Science reportou anteriormente , a física experimental de partículas de alta energia está paralisada nos últimos anos. Quando o Grande Colisor de Hádrons (LHC) de US $ 10 bilhões foi concluído na fronteira entre a França e a Suíça em 2009, os cientistas pensaram que isso abriria os mistérios da supersimetria - a classe misteriosa e teórica de partículas que os cientistas suspeitam. pode existir fora da física atual, mas nunca detectou. De acordo com a supersimetria, cada partícula existente no Modelo Padrão possui um parceiro supersimétrico. Pesquisadores suspeitam que esses parceiros existem porque as massas de partículas conhecidas estão fora do caminho - não simétricas umas com as outras.
"Mesmo que o SM funcione muito bem em explicar uma infinidade de fenômenos, ele ainda tem muitas desvantagens", disse Seyda Ipek, física de partículas da UC Irvine, que não esteve envolvida na pesquisa atual. "Por exemplo, não pode explicar a existência de matéria escura, [explicar estranheza matemática em] massas de neutrinos, ou a assimetria de matéria-antimatéria do universo".
Em vez disso, o LHC confirmou o bóson de Higgs , a parte final não detectada do Modelo Padrão, em 2012. E então parou de detectar qualquer outra coisa importante ou interessante. Os pesquisadores começaram a questionar se algum experimento físico existente poderia detectar uma partícula supersimétrica.
"Precisamos de novas idéias", Jessie Shelton, físico teórico da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, disse ao Live Science em maio, na mesma época em que Fox se interessou pela ANITA.
Agora, vários cientistas não envolvidos no jornal da Penn State disseram à Live Science que ela oferece evidências sólidas (se incompletas) de que algo novo realmente chegou.
"Ficou claro desde o início que, se os eventos anômalos de ANITA são devidos a partículas que se propagaram por milhares de quilômetros da Terra, essas partículas provavelmente não eram partículas de SM", disse Mauricio Bustamante, astrofísico do Instituto Niels Bohr. a Universidade de Copenhague, que não era autor do novo artigo.
"O documento que apareceu hoje é o primeiro cálculo sistemático de quão improvável é que esses eventos tenham sido causados por neutrinos SM", acrescentou. "O resultado deles desfavorece fortemente uma explicação da SM."
"Eu acho que é muito atraente", disse Bill Louis, um físico de neutrinos do Laboratório Nacional de Los Alamos, que não esteve envolvido no estudo e tem acompanhado pesquisas sobre os eventos ANITA por vários meses.
Se a partícula modelo padrão criasse essas anomalias, elas deveriam ser neutrinos. Os pesquisadores sabem que tanto por causa das partículas em que se deterioraram, quanto porque nenhuma outra partícula modelo padrão teria sequer um fragmento de chance em um milhão de fazê-lo através da Terra.
Mas os neutrinos dessa energia, disse Louis, não deveriam atravessar a Terra com frequência suficiente para detectar ANITA ou IceCube . Não é como eles funcionam. Mas detectores de neutrinos como ANITA e IceCube não detectam neutrinos diretamente. Em vez disso, eles detectam as partículas nas quais os neutrinos se decompõem depois de se espatifarem na atmosfera da Terra ou no gelo da Antártida. E há outros eventos que podem gerar essas partículas, acionando os detectores. Este artigo sugere fortemente que esses eventos devem ter sido supersimétricos, disse Louis, embora tenha acrescentado que mais dados são necessários.
Fox e seus colegas argumentaram que as partículas provavelmente são uma espécie de partícula supersimétrica teórica chamada "stau sleptons". Stau sleptons são versões supersimétricas de uma partícula do Modelo Padrão chamada tau lepton. O "S" é para "supersimétrico" (na verdade).
Louis disse que nesse estágio ele acha que o nível de especificidade é "um pouco exagerado".
Os autores fazem um forte argumento estatístico de que nenhuma partícula convencional seria capaz de viajar pela Terra desta forma, disse ele, mas ainda não há dados suficientes para ter certeza. E certamente não há o suficiente para que eles possam definitivamente descobrir qual partícula fez a viagem.
Fox não contestou isso.
"Como observador, não há como eu saber que isso é um stau", disse ele. "Da minha perspectiva, eu vou vasculhando tentando descobrir coisas novas sobre o universo, eu me deparo com um fenômeno realmente bizarro, e então com meus colegas, fazemos uma pequena pesquisa de literatura para ver se alguém já pensou que isso poderia acontecer. E então, se encontrarmos artigos na literatura, incluindo um de 14 anos atrás, que prevejam algo como este fenômeno, então isso realmente terá um alto peso de mim ”.
Ele e seus colegas encontraram uma longa cadeia de artigos de teóricos que previam que os dormões dos stau poderiam aparecer assim nos observatórios de neutrinos. E porque esses papéis foram escritos antes da anomalia ANITA, Fox disse, isso sugere fortemente a ele que aqueles teóricos estavam em alguma coisa.
Mas ainda há muita incerteza nessa frente, ele disse. Agora, os pesquisadores só sabem que qualquer que seja essa partícula, ela interage muito fracamente com outras partículas, ou então nunca teria sobrevivido à viagem através da massa densa do planeta.
Qual é o próximo
Todos os físicos que conversaram com a Live Science concordaram que os pesquisadores precisam coletar mais dados para verificar se ANITA e IceCube quebraram a supersimetria. É possível, disse Fox, que, quando os pesquisadores do IceCube pesquisarem em seus arquivos de dados, encontrem mais eventos similares que antes não foram notados. Louis e Bustamante disseram que a NASA deveria rodar mais vôos ANITA para ver se partículas ascendentes semelhantes aparecessem.
"Para termos certeza de que esses eventos não são causados por desconhecidos desconhecidos - digamos, propriedades não mapeadas do gelo da Antártida -, gostaríamos que outros instrumentos também detectassem esse tipo de evento", disse Bustamante.
Uma equipe prepara ANITA para voar sobre o gelo da Antártida.
Crédito: NASA
No longo prazo, se esses resultados forem confirmados e os detalhes de que partículas os estão causando, vários pesquisadores disseram que a anomalia de ANITA pode desbloquear ainda mais a nova física no LHC.
"Qualquer observação de uma partícula não-SM seria uma virada de jogo, porque nos diria qual caminho deveríamos seguir depois do SM", disse Ipek. "O tipo de partícula [supersimétrica] que eles afirmam ter produzido os sinais de, são muito difíceis de produzir e detectar no LHC".
"Então, é muito interessante se eles puderem ser observados por outros tipos de experimentos. É claro que, se isso for verdade, então esperaremos que uma escada de outras partículas [supersimétricas] seja observada no LHC, o que seria um complemento teste das reivindicações ".
Em outras palavras, as anomalias ANITA poderiam oferecer aos cientistas as informações-chave necessárias para ajustar adequadamente o LHC para liberar mais da supersimetria. Esses experimentos podem até revelar uma explicação para a matéria escura .
Agora, Fox disse, ele está apenas com fome de mais dados.
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