Vår bästa modell av partikelfysik spricker i sömmarna när den kämpar för att innehålla all konstighet i universum. Nu verkar det mer troligt än någonsin att det kan dyka upp, tack vare en serie konstiga händelser i Antarktis ...
Döden av detta regerande fysikparadigm, Standardmodellen, har förutsagts i årtionden. Det finns antydningar om dess problem i den fysik vi redan har. Konstiga resultat från laboratorieexperiment tyder på att flimrar av spöklikt nya arter av neutrinoer utöver de tre som beskrivs i standardmodellen. Och universum verkar fullt av mörk materia som ingen partikel i standardmodellen kan förklara.
Men nyligen främmande bevis kan en dag binda de vaga datainsamlingarna: Tre gånger sedan 2016 har ultrahögenergiska partiklar sprängit upp genom isen från Antarktis, och detekterat detektorer i Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA), ett maskin dinglande från en NASA-ballong långt ovanför den frysta ytan.
Som Live Science rapporterade 2018, matchar dessa händelser - tillsammans med flera ytterligare partiklar senare vid det begravda antarktiska observatoriet IceCube - inte det förväntade beteendet hos några standardmodellpartiklar. Partiklarna ser ut som neutriner med ultrahög energi. Men neutrinoer med ultrahög energi bör inte kunna passera jorden. Det tyder på att någon annan typ av partikel - en som aldrig har sett förut - kastar sig in i den kalla sydliga himlen.
Nu, i ett nytt papper, har ett team av fysiker som arbetar på IceCube kasta stort tvivel om en av de sista återstående standardmodellförklaringarna för dessa partiklar: kosmiska acceleratorer, jätte-neutrino-kanoner som gömmer sig i rymden som regelbundet skulle avfyra intensiva neutrino-kulor på jorden. En samling hyperaktiva neutrinopistoler någonstans på vår nordliga himmel kunde ha sprängt tillräckligt med neutrinoer i jorden för att vi skulle upptäcka partiklar som skjuter ut från södra spetsen av vår planet. Men IceCube-forskarna hittade inga bevis på den samlingen där ute, vilket antyder att ny fysik måste behövas för att förklara de mystiska partiklarna.
För att förstå varför är det viktigt att veta varför dessa mysteriumpartiklar är så oroande för standardmodellen.
Neutrino är de svagaste partiklarna vi vet om; de är svåra att upptäcka och nästan masslösa. De passerar genom vår planet hela tiden - oftast kommer de från solen och kolliderar sällan, om någonsin, med protoner, neutroner och elektroner som utgör våra kroppar och smuts under våra fötter.
Men neutriner med ultrahög energi från djupa rymden skiljer sig från deras kusiner med låg energi. Mycket sällsyntare än neutroner med låg energi, de har bredare "tvärsnitt", vilket betyder att de är mer benägna att kollidera med andra partiklar när de passerar genom dem. Oddsen för att en neutrino med ultrahög energi gör det hela vägen genom Jorden intakt är så lågt att du aldrig förväntar dig att upptäcka att det händer. Det var därför ANITA-upptäckterna var så överraskande: Det var som om instrumentet hade vunnit lotteriet två gånger, och sedan hade IceCube vunnit ett par gånger så snart det började köpa biljetter.
Och fysiker vet hur många lotter de hade att arbeta med. Många ultrahögenergiska kosmiska neutrinoer kommer från samverkan mellan kosmiska strålar med den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB), den svaga efterglödan från Big Bang. Varje gång i taget samverkar de kosmiska strålarna med CMB på precis rätt sätt att avfyra högenergipartiklar på jorden. Detta kallas "flödet" och det är detsamma över hela himlen. Både ANITA och IceCube har redan mätat hur det kosmiska neutrino-flödet ser ut för var och en av deras sensorer, och det producerar bara inte tillräckligt med högenergin neutrino som du kan förvänta dig att upptäcka en neutrino som flyger ut från jorden vid endera detektorn ens en gång .
"Om händelserna som upptäckts av ANITA tillhör denna diffusa neutrinkomponent, borde ANITA ha mätt många andra händelser vid andra höjdvinklar," säger Anastasia Barbano, en fysiker från University of Geneva som arbetar på IceCube.
Men i teorin kunde det ha funnits neutrinkällor med ultrahög energi utanför det himmelbredda flödet, berättade Barbano Live Science: de neutrinopistolerna eller kosmiska acceleratorerna.
"Om det inte är fråga om neutrinoer som produceras genom samverkan av extremt högenergiska kosmiska strålar med CMB, kan de observerade händelserna vara antingen neutrinoer producerade av enskilda kosmiska acceleratorer i ett givet tidsintervall" eller någon okänd jordisk källa, Barbano sa.
Blazars, aktiva galaktiska kärnor, gammastrålar, starburst-galaxer, galaxfusioner och magnetiserade och snabbt snurrande neutronstjärnor är alla bra kandidater för dessa slags acceleratorer, sade hon. Och vi vet att kosmiska neutrinocceleratorer existerar i rymden; 2018 spårade IceCube en neutrino med hög energi tillbaka till en blazar, en intensiv stråle av partiklar som kommer från ett aktivt svart hål i mitten av en avlägsen galax.
ANITA plockar upp bara de mest extrema neutrinoerna med hög energi, sade Barbano, och om de uppåtflygande partiklarna var kosmiska acceleratorförstärkta neutrinoer från standardmodellen - troligen tau-neutrinoer - så skulle strålen ha kommit med en dusch av lägre -energipartiklar som skulle ha utlöst IceCubes detektorer med lägre energi.
"Vi letade efter händelser i sju år med IceCube-data," sade Barbano - händelser som matchade vinkeln och längden på ANITA-upptäckterna, som du kan förvänta dig att hitta om det fanns ett betydande batteri med kosmiska neutrinopistoler där ute som skjuter på jorden att producera dessa pågående partiklar. Men ingen kom upp.
Deras resultat eliminerar inte helt möjligheten till en accelerationskälla där ute. Men de "begränsar" allvarligt möjligheterna och eliminerar alla de mest troliga scenarierna med kosmiska acceleratorer och många mindre troliga.
"Meddelandet vi vill förmedla till allmänheten är att en astrofysisk förklaring av standardmodellen inte fungerar oavsett hur du skar den," sade Barbano.
Forskare vet inte vad som är nästa. Varken ANITA eller IceCube är en idealisk detektor för de nödvändiga uppföljningssökningarna, sade Barbano, vilket lämnar forskarna med mycket lite data att basera sina antaganden om dessa mystiska partiklar. Det är lite som att försöka räkna ut bilden på ett gigantiskt pussel från bara en handfull bitar.
Just nu verkar många möjligheter passa de begränsade uppgifterna, inklusive en fjärde art av "steril" neutrino utanför standardmodellen och en rad teoretiserade typer av mörk materia. Någon av dessa förklaringar skulle vara revolutionerande .hjh Men ingen är starkt gynnad än.
"Vi måste vänta på nästa generation neutrino-detektorer," sade Barbano.
