Unser bestes Modell der Teilchenphysik platzt aus allen Nähten, da es darum kämpft, die ganze Verrücktheit im Universum einzudämmen. Jetzt scheint es wahrscheinlicher denn je, dass es aufgrund einer Reihe seltsamer Ereignisse in der Antarktis platzt…
Der Tod dieses herrschenden Physikparadigmas, des Standardmodells, wird seit Jahrzehnten vorhergesagt. Es gibt Hinweise auf seine Probleme in der Physik, die wir bereits haben. Seltsame Ergebnisse aus Laborexperimenten deuten auf ein Flackern gespenstischer neuer Neutrinospezies hin, die über die im Standardmodell beschriebenen drei hinausgehen. Und das Universum scheint voller dunkler Materie zu sein, die kein Teilchen im Standardmodell erklären kann.
Jüngste verlockende Beweise könnten jedoch eines Tages diese vagen Datenstränge zusammenhalten: Seit 2016 sind dreimal hochenergetische Partikel durch das Eis der Antarktis gesprengt und haben im ANITA-Experiment (Antarctic Impulsive Transient Antenna) Detektoren ausgelöst Maschine baumelt an einem NASA-Ballon weit über der gefrorenen Oberfläche.
Wie Live Science im Jahr 2018 berichtete, stimmen diese Ereignisse - zusammen mit mehreren zusätzlichen Partikeln, die später im vergrabenen antarktischen Neutrino-Observatorium IceCube entdeckt wurden - nicht mit dem erwarteten Verhalten von Standardmodellpartikeln überein. Die Partikel sehen aus wie ultrahochenergetische Neutrinos. Ultrahochenergetische Neutrinos sollten jedoch nicht in der Lage sein, die Erde zu passieren. Das deutet darauf hin, dass sich eine andere Art von Teilchen - eines, das noch nie zuvor gesehen wurde - in den kalten südlichen Himmel schleudert.
In einem neuen Artikel hat ein Team von Physikern, die an IceCube arbeiten, eine der letzten verbleibenden Erklärungen des Standardmodells für diese Teilchen in Zweifel gezogen: kosmische Beschleuniger, riesige Neutrino-Kanonen, die sich im Weltraum verstecken und regelmäßig intensive Neutrino-Kugeln auf die Erde abfeuern. Eine Ansammlung hyperaktiver Neutrino-Kanonen irgendwo in unserem nördlichen Himmel hätte genug Neutrinos in die Erde sprengen können, um Partikel zu entdecken, die aus der Südspitze unseres Planeten schießen. Die IceCube-Forscher fanden jedoch keine Beweise für diese Sammlung, was darauf hindeutet, dass neue Physik erforderlich sein muss, um die mysteriösen Teilchen zu erklären.
Um zu verstehen, warum, ist es wichtig zu wissen, warum diese mysteriösen Partikel für das Standardmodell so beunruhigend sind.
Neutrinos sind die schwächsten Partikel, die wir kennen; Sie sind schwer zu erkennen und fast masselos. Sie passieren die ganze Zeit unseren Planeten - meistens von der Sonne und kollidieren selten, wenn überhaupt, mit den Protonen, Neutronen und Elektronen, aus denen unser Körper und der Schmutz unter unseren Füßen bestehen.
Ultrahochenergetische Neutrinos aus dem Weltraum unterscheiden sich jedoch von ihren Cousins mit niedriger Energie. Sie sind viel seltener als niederenergetische Neutrinos und haben breitere "Querschnitte", was bedeutet, dass sie beim Durchgang eher mit anderen Partikeln kollidieren. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein ultrahochenergetisches Neutrino den ganzen Weg durch die Erde intakt macht, ist so gering, dass man nie erwarten würde, dass es passiert. Deshalb waren die ANITA-Entdeckungen so überraschend: Es war, als hätte das Instrument zweimal im Lotto gewonnen, und IceCube hatte es noch ein paar Mal gewonnen, sobald es anfing, Tickets zu kaufen.
Und Physiker wissen, mit wie vielen Lottoscheinen sie arbeiten mussten. Viele ultrahochenergetische kosmische Neutrinos entstehen durch Wechselwirkungen kosmischer Strahlen mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB), dem schwachen Nachleuchten des Urknalls. Hin und wieder interagieren diese kosmischen Strahlen auf die richtige Weise mit dem CMB, um hochenergetische Partikel auf die Erde abzufeuern. Dies wird als "Fluss" bezeichnet und ist überall am Himmel gleich. Sowohl ANITA als auch IceCube haben bereits gemessen, wie der kosmische Neutrino-Fluss für jeden ihrer Sensoren aussieht, und es werden einfach nicht genügend hochenergetische Neutrinos erzeugt, so dass Sie erwarten würden, dass ein Neutrino an beiden Detektoren einmal aus der Erde fliegt .
"Wenn die von ANITA erkannten Ereignisse zu dieser diffusen Neutrinokomponente gehören, hätte ANITA viele andere Ereignisse in anderen Höhenwinkeln messen müssen", sagte Anastasia Barbano, eine Physikerin der Universität Genf, die an IceCube arbeitet.
Aber theoretisch hätte es neutrale Neutrinoquellen jenseits des himmelweiten Flusses geben können, sagte Barbano gegenüber Live Science: diese Neutrino-Kanonen oder kosmischen Beschleuniger.
"Wenn es sich nicht um Neutrinos handelt, die durch die Wechselwirkung von kosmischen Strahlen mit ultrahoher Energie mit dem CMB erzeugt werden, können die beobachteten Ereignisse entweder Neutrinos sein, die von einzelnen kosmischen Beschleunigern in einem bestimmten Zeitintervall erzeugt werden" oder eine unbekannte irdische Quelle. Sagte Barbano.
Blazare, aktive galaktische Kerne, Gammastrahlenausbrüche, Starburst-Galaxien, Galaxienfusionen und magnetisierte und sich schnell drehende Neutronensterne seien gute Kandidaten für diese Art von Beschleunigern, sagte sie. Und wir wissen, dass kosmische Neutrinobeschleuniger im Weltraum existieren; 2018 verfolgte IceCube ein hochenergetisches Neutrino zurück zu einem Blazar, einem intensiven Partikelstrahl, der aus einem aktiven Schwarzen Loch im Zentrum einer fernen Galaxie stammt.
ANITA nimmt nur die extremsten hochenergetischen Neutrinos auf, sagte Barbano, und wenn die nach oben fliegenden Teilchen Neutrinos mit kosmischem Beschleuniger aus dem Standardmodell wären - höchstwahrscheinlich Tau-Neutrinos -, hätte der Strahl mit einer Dusche von niedriger kommen müssen -Energieteilchen, die die energiearmen Detektoren von IceCube ausgelöst hätten.
"Wir haben nach Ereignissen in sieben Jahren mit IceCube-Daten gesucht", sagte Barbano - Ereignisse, die dem Winkel und der Länge der ANITA-Erkennungen entsprachen, die Sie erwarten würden, wenn eine bedeutende Batterie kosmischer Neutrino-Kanonen auf die Erde schießen würde diese aufsteigenden Partikel zu produzieren. Aber keiner ist aufgetaucht.
Ihre Ergebnisse schließen die Möglichkeit einer Beschleunigerquelle da draußen nicht vollständig aus. Aber sie "schränken" die Möglichkeiten stark ein und eliminieren alle plausibelsten Szenarien mit kosmischen Beschleunigern und viele weniger plausible.
"Die Botschaft, die wir der Öffentlichkeit vermitteln möchten, ist, dass eine astrophysikalische Erklärung des Standardmodells nicht funktioniert, egal wie Sie sie in Scheiben schneiden", sagte Barbano.
Forscher wissen nicht, was als nächstes kommt. Weder ANITA noch IceCube sind ein idealer Detektor für die erforderlichen Nachuntersuchungen, sagte Barbano, und den Forschern blieben nur sehr wenige Daten, auf denen ihre Annahmen über diese mysteriösen Partikel beruhen könnten. Es ist ein bisschen so, als würde man versuchen, das Bild auf einem riesigen Puzzle aus nur einer Handvoll Teilen herauszufinden.
Derzeit scheinen viele Möglichkeiten zu den begrenzten Daten zu passen, darunter eine vierte Art von "sterilem" Neutrino außerhalb des Standardmodells und eine Reihe theoretisierter Arten von Dunkler Materie. Jede dieser Erklärungen wäre revolutionär. Aber noch keine ist stark favorisiert.
"Wir müssen auf die nächste Generation von Neutrino-Detektoren warten", sagte Barbano.
