Космически детектор, разположен в Антарктида, е уловил серия от необичайни радиоимпулси, които поставят под съмнение настоящото разбиране във физиката на елементарните частици. Според международен екип от учени, включително изследователи от Университета Пен Стейт (Penn State), тези сигнали са били регистрирани от експеримента ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna) — система от прибори, разположени на балони, летящи на висока надморска височина над Антарктида. Те са проектирани да засичат радиовълни, породени от космически лъчи, които се сблъскват с атмосферата на Земята.
Цел на експеримента ANITA
Целта на ANITA е да предостави нова информация за далечни космически явления чрез анализ на радиосигнали, достигащи повърхността на Земята. За разлика от обичайното поведение на подобни сигнали, които отскачат от повърхността на леда, в случая сигналите изглежда идват отдолу, под хоризонта — ориентация, която не може да бъде обяснена с текущите теории във физиката на частиците. Това може да е индикация за съществуването на нови видове частици или непознати досега взаимодействия, обясняват учените.
Резултатите от проучването са публикувани в научното списание Physical Review Letters.
„Радиовълните, които засекохме, идваха под наистина остри ъгли — около 30 градуса под повърхността на леда,“ споделя Стефани Уисъл, доцент по физика, астрономия и астрофизика, която работи в екипа на ANITA и изследва сигнали от трудно уловимите неутрино.
Уисъл обяснява, че според изчисленията им аномалният сигнал би трябвало да е преминал и взаимодействал с хиляди километри скала, преди да достигне до детектора — нещо, което би направило сигнала незасечим, тъй като радиовълните трябва да се абсорбират от скалната маса.
„Интересен проблем е, защото все още нямаме обяснение за тези аномалии, но сме почти сигурни, че не става въпрос за неутрино,“ казва тя.
Какво представляват неутриното и защо са толкова трудни за откриване?
Неутриното са вид елементарна частица без електричен заряд и с най-малка маса от всички познати субатомни частици. Те се излъчват при високоенергийни събития — като тези в Слънцето, свръхнови или дори при Големия взрив. Неутриното са навсякъде във Вселената, но се смятат за почти неуловими, именно защото почти не взаимодействат с материята.
„Във всеки един момент милиарди неутрино преминават през вашия палец, без да оставят и следа,“ казва Уисъл.
„Това е двойното предизвикателство — ако ги засечем, значи са пропътували целия този път, без да се сблъскат с нищо. Може да засичаме неутрино, дошли от самия край на наблюдаемата Вселена.“
След като бъдат засечени и проследени до източника си, неутриното могат да разкрият информация за космически събития, която не може да бъде получена дори от най-мощните телескопи. Причината е, че неутриното могат да пътуват почти със скоростта на светлината и без да се отклоняват, предоставяйки „чиста“ информация от дълбините на космоса.
Как ANITA улавя тези сигнали?
За да засекат неутрино и техните изключително слаби сигнали, учените проектират специализирани детектори. Дори единичен неутрино сигнал може да съдържа ценна информация, така че всеки уловен импулс е от значение, подчертава Уисъл.
„Използваме радиодетектори, за да създадем на практика огромни телескопи за неутрино, защото очакваме много ниска честота на събитията,“ казва тя.
ANITA е именно такъв детектор. Той е разположен в Антарктида заради почти пълната липса на човешки и технологични смущения в радиочестотния спектър. Детекторът, монтиран на балон, прелита над ледовете и търси радиоизлъчване от неутрино, които взаимодействат с леда и образуват т.нар. "ледени душове".
„Имаме радиантени, монтирани на балон, който лети на около 40 км над Антарктида,“ обяснява Уисъл.
„Насочваме антените надолу към леда и търсим неутрино, които взаимодействат с него и създават радиосигнали, които можем да засечем.“
Какво се случва при сблъсъка на неутрино с леда?
Тези специални неутрино, наречени тау неутрино, произвеждат вторична частица — тау лептон, която напуска леда и впоследствие се разпада. Във физиката, „разпад“ означава, че частицата губи енергия и се разпада на съставните си елементи по време на пътя си в пространството. Това създава явлението въздушен душ.
Ако тези душове бяха видими с просто око, щяха да изглеждат като фойерверк, изстрелян в определена посока, оставяйки искри след себе си, казва Уисъл.
Чрез сравняване на сигналите от „ледени душове“ и „въздушни душове“, учените могат да определят типа и поведението на частиците, които са предизвикали сигнала. Тези сигнали могат да бъдат проследени до източника си, подобно на това как топка, хвърлена под ъгъл, отскача предвидимо.
Но анормалните сигнали, засечени наскоро, не могат да бъдат проследени по този начин – техният ъгъл е твърде рязък и не отговаря на съществуващите модели.
Сравнение с други експерименти и заключения
Учените анализират данни от няколко мисии на ANITA и ги сравняват с математически модели и симулации на обичайни космически лъчи и възходящи въздушни душове. След като елиминират фоновия шум и други възможни източници, те сравняват резултатите с данни от други независими детектори като IceCube и Pierre Auger Observatory, за да установят дали подобни сигнали са били засечени.
Оказва се, че другите детектори не са регистрирали нищо, което би могло да обясни откритията на ANITA. Това кара учените да класифицират сигналите като "аномални".
„Сигналите не се вписват в стандартния модел на физиката на частиците. Въпреки че има хипотези за връзка с тъмна материя, липсата на съвпадения с данните от IceCube и Auger силно ограничава възможностите,“ казва Уисъл.
Какво предстои: новият детектор PUEO
Penn State работи по създаването на следващото поколение детектори. Новият инструмент, наречен PUEO, ще бъде по-голям и по-чувствителен от ANITA и ще бъде в състояние да засича още по-слаби неутрино сигнали.
„Подозирам, че става дума за някакъв интересен ефект на разпространение на радиосигнали около лед и хоризонт, който още не разбирам напълно,“ казва Уисъл.
„Разгледахме редица такива възможности, но все още не сме открили обяснение.“
„Засега това остава една от големите мистерии. Но съм развълнувана, защото при следващия полет с PUEO ще имаме по-добра чувствителност. Може да засечем още подобни аномалии и най-сетне да разберем какво са. Може дори да засечем истински неутрино — което би било дори по-вълнуващо.“
DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.121003
Източник: Phys.org
