Partículas Extrañas Siguen Volando Fuera Del Hielo De La Antártida, Y Podrían Destruir La Física Moderna

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Hay algo por ahí que los físicos nunca han visto antes, y viene desde el fondo de la tierra. Los científicos creen que es una partícula nueva.

Hay algo misterioso saliendo del terreno helado en la Antártida, y podría romper la física como la conocemos.

Los físicos no saben qué es exactamente. Pero sí saben que es una especie de rayo cósmico, una partícula de alta energía que se abre camino a través del espacio, hacia la Tierra y vuelve a salir. Pero los físicos de partículas saben - la colección de partículas que conforman lo que los científicos llaman el Modelo Estándar (SM) de física de partículas - no debería poder hacer eso. Claro, hay neutrinos de baja energía que pueden atravesar kilómetros y kilómetros de roca sin verse afectados. Pero los neutrinos de alta energía, así como otras partículas de alta energía, tienen "grandes secciones transversales". Eso significa que casi siempre se estrellarán contra algo poco después de sumergirse en la Tierra y nunca llegarán al otro lado.

Y, sin embargo, desde marzo de 2016, los investigadores han estado desconcertando sobre dos eventos en la Antártida donde los rayos cósmicos se desprendieron de la Tierra y fueron detectados por la Antena Antártica Impulsiva Antena (ANITA) de la NASA, una antena aerotransportada sobre el continente austral.

ANITA está diseñada para cazar rayos cósmicos del espacio exterior, por lo que la comunidad de neutrinos de alta energía estaba zumbando de emoción cuando el instrumento detectó partículas que parecían estar explotando desde la Tierra en lugar de alejarse del espacio. Debido a que los rayos cósmicos no deberían hacer eso, los científicos comenzaron a preguntarse si estos rayos misteriosos están hechos de partículas nunca antes vistas.

Desde entonces, los físicos han propuesto todo tipo de explicaciones para estos rayos cósmicos "ascendentes", desde neutrinos estériles (neutrinos que rara vez golpean en la materia) a "distribuciones de materia oscura atípica dentro de la Tierra", refiriéndose a la forma misteriosa de la materia que no existe. interactúes con la luz [Los 18 misterios más grandes sin resolver en física]

Todas las explicaciones fueron intrigantes y sugirieron que ANITA podría haber detectado una partícula que no se contabilizó en el Modelo Estándar. Pero ninguna de las explicaciones demostró de manera concluyente que algo más ordinario no podría haber causado la señal en ANITA.

Un nuevo documento subido hoy (26 de septiembre) al servidor de preimpresión arXiv lo cambia. En él, un equipo de astrofísicos de la Universidad de Penn State demostró que ha habido más partículas de alta energía ascendentes que las detectadas durante los dos eventos ANITA. Tres veces, escribieron, IceCube (otro observatorio de neutrinos más grande en la Antártida) detectó partículas similares, aunque nadie había conectado aún esos eventos con el misterio en ANITA. Y, combinando los conjuntos de datos de IceCube y ANITA, los investigadores de Penn State calcularon que, sea cual sea la partícula que brota de la Tierra, tiene una probabilidad mucho menor de 1 en 3.5 millones de ser parte del Modelo Estándar. (En términos técnicos y estadísticos, sus resultados tenían una confianza de 5.8 y 7.0 sigma, dependiendo de cuál de los cálculos estén viendo).

Física de última hora

Derek Fox, el autor principal del nuevo documento, dijo que se encontró con los eventos de ANITA en mayo de 2018, en uno de los documentos anteriores que intentaban explicarlos.

"Pensé: 'Bueno, este modelo no tiene mucho sentido' ', dijo Fox a WordsSideKick.com', pero el resultado de [ANITA] es muy interesante, así que comencé a comprobarlo. Comencé a hablar con el vecino de mi oficina, Steinn. Sigurdsson [el segundo autor del artículo, que también se encuentra en Penn State] sobre si tal vez podríamos obtener algunas explicaciones más plausibles que los artículos que se han publicado hasta la fecha ".

Fox, Sigurdsson y sus colegas comenzaron a buscar eventos similares en los datos recopilados por otros detectores. Cuando se encontraron con posibles eventos ascendentes en los datos de IceCube, dijo, se dio cuenta de que podría haber encontrado algo realmente cambiante para la física. [5 Partículas misteriosas al acecho]

La instalación de superficie para el experimento IceCube, que se encuentra a menos de 1,6 kilómetros (1 milla) de hielo en la Antártida. IceCube sugiere que los neutrinos fantasmales no existen, pero un nuevo experimento dice que sí.

La instalación de superficie para el experimento IceCube, que se encuentra a menos de 1,6 kilómetros (1 milla) de hielo en la Antártida. IceCube sugiere que los neutrinos fantasmales no existen, pero un nuevo experimento dice que sí.

Crédito: Cortesía de IceCube Neutrino Observatory

"Eso es lo que realmente me animó, y mirar los eventos de ANITA con la mayor seriedad", dijo, y luego agregó: "Esto es lo que viven los físicos. Rompiendo modelos, estableciendo nuevas restricciones [en la realidad], aprendiendo cosas sobre el universo". nosotros no sabíamos ".

Como WordsSideKick.com ha informado anteriormente, la física experimental de partículas de alta energía ha estado paralizada durante los últimos años. Cuando se completó el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de 17 millas (27 kilómetros) y $ 10 mil millones en la frontera entre Francia y Suiza en 2009, los científicos pensaron que desbloquearía los misterios de la supersimetría, la misteriosa y teórica clase de partículas que los científicos sospechan. Podría existir fuera de la física actual, pero nunca lo había detectado. Según la supersimetría, cada partícula existente en el Modelo Estándar tiene un compañero supersimétrico. Los investigadores sospechan que estos socios existen porque las masas de partículas conocidas están fuera de lugar, no son simétricas entre sí.

"Aunque el SM funciona muy bien para explicar una gran cantidad de fenómenos, todavía tiene muchas desventajas", dijo Seyda Ipek, física de partículas de la UC Irvine, que no participó en la investigación actual."Por ejemplo, no puede explicar la existencia de materia oscura, [explicar la rareza matemática en] las masas de neutrinos, o la asimetría materia-antimateria-materia del universo".

En cambio, el LHC confirmó el bosón de Higgs, la parte final no detectada del Modelo Estándar, en 2012. Y luego dejó de detectar cualquier otra cosa tan importante o interesante. Los investigadores comenzaron a cuestionar si algún experimento de física existente podría detectar alguna vez una partícula supersimétrica.

"Necesitamos nuevas ideas", Jessie Shelton, física teórica de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, dijo a WordsSideKick.com en mayo, casi al mismo tiempo que Fox se interesó por los datos de ANITA.

Ahora, varios científicos que no participaron en el documento de Penn State dijeron a WordsSideKick.com que ofrece pruebas sólidas (aunque incompletas) de que algo nuevo realmente ha llegado.

"Estaba claro desde el principio que si los eventos anómalos de ANITA se deben a partículas que se han propagado a través de miles de kilómetros de la Tierra, entonces esas partículas probablemente no sean partículas SM", dijo Mauricio Bustamante, astrofísico del Instituto Niels Bohr en La Universidad de Copenhague, que no fue un autor del nuevo artículo.

"El artículo que apareció hoy es el primer cálculo sistemático de cuán improbable es que estos eventos se debieran a los neutrinos SM", agregó. "Su resultado desaprueba fuertemente una explicación de SM".

"Creo que es muy convincente", dijo Bill Louis, físico de neutrinos en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, que no participó en el documento y ha estado siguiendo la investigación de los eventos de ANITA durante varios meses.

Si las partículas del modelo estándar crearon estas anomalías, deberían haber sido neutrinos. Los investigadores saben que tanto por las partículas en las que se descomponen, como porque ninguna otra partícula de modelo estándar tendría siquiera un fragmento de probabilidad en un millón de hacerlo a través de la Tierra.

Pero los neutrinos de esta energía, dijo Louis, simplemente no deberían atravesar la Tierra con la frecuencia suficiente para que ANITA o IceCube lo detecten. No es así como funcionan. Pero los detectores de neutrinos como ANITA y IceCube no detectan los neutrinos directamente. En su lugar, detectan las partículas en las que se descomponen los neutrinos después de estrellarse contra la atmósfera terrestre o el hielo antártico. Y hay otros eventos que pueden generar esas partículas, activando los detectores. Este documento sugiere firmemente que esos eventos deben haber sido supersimétricos, dijo Louis, aunque agregó que se necesitan más datos.

Fox y sus colegas argumentaron que es más probable que las partículas sean una especie de partícula supersimétrica teórica llamada "stau sleptons". Stau sleptons son versiones supersimétricas de una partícula de modelo estándar llamada tau lepton. La "S" es para "supersimétrica" ​​(en realidad). [Sparticles to Neutrinos: Las Partículas Pequeñas Más Frescas del Universo]

Louis dijo que en esta etapa él piensa que el nivel de especificidad es "un poco exagerado".

Los autores argumentan con firmeza que no es probable que ninguna partícula convencional viaje a través de la Tierra de esta manera, dijo, pero aún no hay datos suficientes para estar seguro. Y ciertamente no es suficiente que ellos puedan imaginar definitivamente qué partícula hizo el viaje.

Fox no disputó eso.

"Como observador, no hay forma de que pueda saber que esto es un stau", dijo. "Desde mi perspectiva, voy por ahí tratando de descubrir cosas nuevas sobre el universo, me encuentro con un fenómeno realmente extraño y luego, junto con mis colegas, hacemos una pequeña búsqueda bibliográfica para ver si alguien alguna vez pensó que esto podría suceder. Y luego, si encontramos artículos en la literatura, incluido uno de hace 14 años que predice algo como este fenómeno, entonces eso me da mucho peso ".

Él y sus colegas encontraron una larga cadena de artículos de teóricos que predicen que los hombres pueden aparecer así en observatorios de neutrinos. Y debido a que esos documentos se escribieron antes de la anomalía de ANITA, dijo Fox, eso le sugiere firmemente que esos teóricos estaban en algo.

Pero hay mucha incertidumbre en ese frente, dijo. En este momento, los investigadores simplemente saben que sea lo que sea esta partícula, interactúa muy débilmente con otras partículas, o de lo contrario nunca habría sobrevivido al viaje a través de la densa masa del planeta.

Que sigue

Todos los físicos que hablaron con WordsSideKick.com coincidieron en que los investigadores deben recopilar más datos para verificar que ANITA y IceCube hayan superado la supersimetría. Es posible, dijo Fox, que cuando los investigadores de IceCube profundicen en sus archivos de datos, encuentren más eventos similares que anteriormente habían pasado inadvertidos. Louis y Bustamante dijeron que la NASA debería realizar más vuelos ANITA para ver si aparecen partículas ascendentes similares.

"Para estar seguros de que estos eventos no se deben a incógnitas desconocidas, por ejemplo, propiedades no mapeadas del hielo antártico, nos gustaría que otros instrumentos también detecten este tipo de eventos", dijo Bustamante.

Un equipo prepara a ANITA para volar sobre el hielo antártico.

Un equipo prepara a ANITA para volar sobre el hielo antártico.

Crédito: NASA

A largo plazo, si estos resultados se confirman y los detalles de la partícula que los está causando se encuentran clavados, varios investigadores dijeron que la anomalía de ANITA podría desbloquear aún más física nueva en el LHC.

"Cualquier observación de una partícula que no sea SM cambiaría el juego, porque nos diría qué camino debemos seguir después del SM", dijo Ipek. "El tipo de partícula [supersimétrica] de la que afirman haber producido las señales de, son muy difíciles de producir y detectar en LHC".

"Por lo tanto, es muy interesante si pueden ser observados por otros tipos de experimentos.Por supuesto, si esto es cierto, entonces esperaremos que se observe una escalera de otras partículas [supersimétricas] en el LHC, lo que sería una prueba complementaria de las afirmaciones ".

En otras palabras, las anomalías de ANITA podrían ofrecer a los científicos la información clave necesaria para sintonizar correctamente el LHC para desbloquear más de la supersimetría. Esos experimentos podrían incluso dar una explicación para la materia oscura.

En este momento, dijo Fox, simplemente tiene hambre de más datos.

Publicado originalmente en WordsSideKick.com.


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