Seltsame Eisformationen haben Physiker möglicherweise dazu gebracht, mysteriöse Teilchen zu sehen, die nicht da waren

Was wäre, wenn sich eine der seltsamsten und beunruhigendsten Erkenntnisse der Teilchenphysik als Illusion herausstellen würde??

Seit März 2016 haben zwei mysteriöse Signale aus der Antarktis die Forscher verblüfft. Zweimal scheint ein hochenergetisches Teilchen direkt aus dem Eis zu platzen und Detektoren bei einem Experiment mit Ballons über dem Kopf auszulösen. Es ist, als wären die Teilchen unversehrt durch die ganze Erde gegangen. Dies sollte jedoch so gut wie unmöglich sein: Keines der bekannten Teilchen, die zusammen in einem als Standardmodell bekannten Physikmodell beschrieben werden, kann diese Reise mit hoher Energie durchführen.

Ansonsten identische Partikel können unterschiedliche Energielasten tragen, und die Energiemenge, die ein Partikel trägt, kann sein Verhalten ändern. Geisterhafte, energiearme Neutrinos können ungestört durch die gesamte Kruste des Planeten, geschmolzenes Gestein und Eisen gleiten. Aber sie haben nicht genug Schlagkraft, um die in der Antarktis gefundenen Signale zu erzeugen. Hochenergetische Neutrinos sind stark genug, um die Signale zu erzeugen. Da diese energiereicheren Neutrinos jedoch größere "Querschnitte" haben - sie wirken sich auf eine größere Region des umgebenden Raums aus -, neigen sie dazu, gegen Dinge zu schlagen, anstatt durch sie zu rutschen. Es ist der Unterschied zwischen dem Werfen eines Marmors durch ein Fischernetz und dem Versuch, einen Wasserball durch dieselben Lücken zu schießen. Kein bekanntes hochenergetisches Neutrino sollte in der Lage sein, die gesamte Erde zu durchdringen und aus dem Eis der Antarktis herauszukommen.

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Physiker nannten die beiden Entdeckungen die "ANITA-Anomalie", nach der Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) der NASA, dem Detektor in der Luft, der die Signale aufnahm. Sie verglichen die Ergebnisse von ANITA mit den Ergebnissen von IceCube - einem viel größeren Neutrino-Observatorium in der Antarktis - und fanden mehr Unterstützung für die Vorstellung, etwas gefunden zu haben, das noch niemand zuvor gesehen hatte. Und sie nahmen die Idee ernst, dass ANITA auf etwas gestoßen sein könnte, das über das Standardmodell hinausgeht.

In einem neuen Artikel, der am 24. April in der Zeitschrift Annals of Glaciology veröffentlicht wurde, argumentiert ein gemeinsames Team von Physikern und Glaziologen, dass die ANITA-Anomalie wahrscheinlich kein Beweis für neue Physik ist. Stattdessen kann es einfach ein Trick des Eises sein. Komplexe, verborgene Strukturen in der weißen Weite könnten Funkwellen auf unerwartete Weise reflektiert haben und die ANITA-Funkempfänger dazu verleiten, das Teilchen so zu registrieren, als ob es aus dem Inneren der Erde käme.

Wie die Anomalie funktionierte

ANITA sollte niemals neue Partikel jagen.

"In gewisser Hinsicht ist es ein wirklich, wirklich einfaches Experiment", sagte Ian Shoemaker, Physiker bei Virginia Tech und Hauptautor des neuen Papiers. "Alles, was sie haben, ist im Grunde ein großer Ballon, und an der Unterseite sind ein paar Funkempfänger angebracht. Und alles, was sie von jedem Ereignis erkennen, ist ein Funksignal."

Funksignale können jedoch viele Informationen über Partikel im extrem hohen Energiebereich enthalten.

Als ANITA gebaut wurde, wurde es entwickelt, um eine exotische Art von Ereignis zu jagen, das vom Standardmodell vorhergesagt wird. Hochenergetische Tau-Neutrinos - einer von drei Neutrino-Geschmacksrichtungen neben Elektronen- und Myon-Neutrinos - gehören zu den schwer fassbaren Partikeln im Standardmodell. Diese Neutrinos sollten die Erde ziemlich oft aus dem Weltraum treffen. Aber sie sind schwer zu erkennen.

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Wenn Tau-Neutrinos auf etwas treffen und zerfallen, produzieren sie eine andere Art von Teilchen, die Tau genannt wird. Die Hoffnung war, dass in der Antarktis Tau-Neutrinos die Erde manchmal in so flachen Winkeln treffen würden, dass sie im Eis zerfallen und ein Tau-Teilchen und ein charakteristisches, nachweisbares Funksignal vom Durchgang des Tau durch das Eis erzeugen. Dieses Funksignal hat eine vorhersagbare Wellenform: eine große Spitze, eine große Neigung, eine kleinere Spitze und eine kleinere Neigung - eine Form, die hauptsächlich durch das Erdmagnetfeld bestimmt wird. Und es würde ANITA von unten und von der Seite treffen, ein Beweis für den Blickwinkel, mit dem es den Planeten traf.

ANITA hat eine Handvoll solcher Ereignisse sowie Signale von kosmischen Strahlen, die direkt aus dem Weltraum in die Antarktis kommen, aufgegriffen. Wenn dies geschieht, trifft ein angeregtes Teilchen - vielleicht ein Proton - auf die Atmosphäre über der Antarktis, platzt in einen Schauer kleinerer geladener Teilchen und erzeugt einen Funkstoß, der vom Eis reflektiert wird, bevor er auf ANITA trifft. Wiederum erzeugen diese Ereignisse dieselbe Wellenform wie die Tau-Neutrinos. Die Form wird weitgehend vom Erdmagnetfeld bestimmt und enthält nur schwache Hinweise auf die Partikel selbst, sagte Shoemaker .

Aber ANITA kann ein Tau-Neutrino von einem kosmischen Grundstrahl unterscheiden: Wenn die Radiowellen auf das Eis treffen und auf ANITA aufprallen, drehen sich ihre Formen um. Anstatt also zu sehen, wie ein Tau durch das Eis blickt, sieht ANITA das reflektierte Auf und Ab eines kosmischen Strahls. Und diese kosmischen Strahlensignale können ANITA aus jeder Richtung treffen, wenn sie vom Eis abprallen.

Die beiden ANITA-Anomalien passten nicht in eine der beiden Kategorien. In jedem Fall erkannte ANITA die nicht gespiegelte Wellenform, die auf ein Tau-Neutrino hinweisen würde: UP-DOWN-Up-Down. Aber die Welle traf ANITA in einem Winkel, der so scharf war, dass sie durch ein unglaublich dickes Stück Erde hätte gehen müssen, um ohne zu hüpfen angekommen zu sein.

Es war ein Signal, das die Designer von ANITA beim Bau des Detektors nicht erwartet hatten, und es deutete auf die Möglichkeit hin, dass neue, unbekannte Partikel aus der Antarktis herausplatzen könnten.

Anomalie oder Illusion?

Nach Jahren des Studiums haben die Physiker keine einfache Erklärung für die Anomalien erhalten, sagte Derek Fox, ein Neutrino-Experte an der Pennsylvania State University. Fox, ein Mitglied der IceCube-Kollaboration, war weder am ANITA-Experiment noch an dem neuen Artikel beteiligt.

Die Physiker hatten einige ungewöhnliche Erklärungen vorgeschlagen, die das Standardmodell nicht brechen würden. Ein Phänomen, das als "kohärente Übergangsstrahlung" bekannt ist, könnte die Radiowellen einer kosmischen Strahlendusche durcheinander gebracht haben, schlugen zwei Theoretiker im März 2019 vor. Oder die Signale stammten möglicherweise von Effekten der Dunklen Materie in einem Spiegeluniversum, einer Veröffentlichung vom März 2018 vorgeschlagen.

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Aber abgesehen von diesen nervenaufreibenden Erklärungen sagte Fox: "Atmosphärische oder glaziale Anomalien sind so ziemlich das, was Ihnen übrig bleibt", bevor ein neues Teilchen die einzige Erklärung wird.

(Es ist auch möglich, dass ein instrumentelles Problem mit ANITA das von ihm angegebene Signal erzeugt hat, aber das ist zweifelhaft, wenn man bedenkt, wie technisch versiert das ANITA-Team ist.)

Dennoch, sagte Fox, habe noch niemand eine überzeugende Erklärung dafür geliefert, wie Luft- oder Eiseffekte die ANITA-Anomalien hervorrufen könnten. Das war, bevor Shoemakers Team mit seiner ungewöhnlichen Kombination aus Teilchenphysikern, Radioexperten und Glaziologen kam.

Die Autoren der neuen Studie machten ein klares Argument: Wenn Radiowellen, die durch die Luft strömen, von einem dichten Objekt wie der obersten Eisschicht abprallen, kippen ihre Wellenformen so, wie ANITA es erwartet. Es gibt aber auch andere Arten von Reflexionen, die die Sensoren von ANITA austricksen könnten.

Wenn eine Welle, die durch eine Substanz mit hoher Dichte (wie Gestein) geht, auf eine Substanz mit niedriger Dichte (wie Wasser) trifft, wird ein Teil der Wellenenergie zurückreflektiert. Diese Reflexion sieht jedoch anders aus als die, die auftritt, wenn sich eine Welle von einer Umgebung mit niedriger Dichte (wie Luft) zu einem Objekt mit hoher Dichte (wie Eis) bewegt..

Wenn Sie vom antarktischen Himmel zum Erdmittelpunkt hinunterreisen, wie der Schauer eines kosmischen Strahls, werden Sie meistens einer dichteren Umgebung nach der anderen begegnen. Die Luft wird immer dicker. Dann schlägst du Eis. Dann schlägst du Rock. Dann landest du im heißen, dichten Zentrum des Planeten. Bei jedem dieser Übergänge würde eine springende Welle so aussehen, wie ANITA es erwartet.

Aber es gibt Merkmale im Eis, die nicht zu diesem Muster passen, betonten Shoemaker und seine Kollegen. Schneebedeckte Gletscherspalten, Bereiche aus gestresstem Kristall, die als "Eisgewebeschichten" bekannt sind, und Seen mit flüssigem Wasser, die unter der gefrorenen Oberfläche vergraben sind, können das Funksignal eines kosmischen Strahls reflektieren, ohne es zu spiegeln.

Aber subglaziale Seen und schneebedeckte Gletscherspalten sind nicht häufig genug, um wahrscheinliche Erklärungen für das ANITA-Ereignis zu sein, fanden die Forscher heraus. Eisgewebe und ein anderes Eismerkmal mit geringer Dichte, das als "Windkrusten" bekannt ist, könnten die Anomalien erklären, sagten sie. Aber Glaziologen haben keinen guten Überblick darüber, wie häufig sie in der Region sind. Zwei Merkmale sind jedoch als wahrscheinliche Erklärungen hervorzuheben, schrieben Shoemaker und sein Team.

Das erste ist Firn, eine Art gefrorenes Wasser, das nicht so weich und locker wie Neuschnee ist, aber noch nicht zu einem einzigen Eisblock komprimiert wurde. Firnschichten schmelzen, bewegen sich und gefrieren immer wieder, wodurch Schichten mit hoher und niedriger Dichte entstehen. Niemand hat in den Regionen nach Firn gesucht, als ANITA die Anomalien entdeckte, aber es ist in der Antarktis weit verbreitet und kann Radiowellen reflektieren, ohne sie zu spiegeln.

Die andere Möglichkeit ist Heiser. Schichten von dickem Schnee und Eis verbergen manchmal schwächere, bröckelige Eisschichten, die eine geringere Dichte als das Eis darüber haben. Bergsteiger kennen und fürchten dieses Eis, so Ulyana Horodyskyj, eine Glaziologin am Colorado College, die nicht an ANITA oder Shoemakers Papier beteiligt war. Wenn schwache Hoarschichten auf Berghängen rutschen, kann das Eis über dem Kopf in Eile zusammenbrechen - ein Ereignis, das als Lawine bekannt ist. Auch hier gibt es im ANITA-Gebiet noch keine direkten Beweise für diese Art von Doppelschicht. Aber Hoar ist in der Antarktis weit verbreitet und könnte eine ungewöhnliche Reflexion erklären.

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Nichts davon ist ein Beweis dafür, dass das ANITA-Team etwas seltsames Eis für ein aufsteigendes Teilchen hielt, schrieben die Autoren. Aber es zeigt, dass ANITA allein die beiden wahrscheinlich nicht so gut unterscheiden kann wie die Physiker.

"Zukünftige Experimente sollten die Phaseninversion [das Umschalten der Wellenform von UP-DOWN-up-down zu DOWN-UP-down-up] nicht als einziges Kriterium zur Unterscheidung zwischen absteigenden und aufsteigenden Ereignissen verwenden, es sei denn, die Reflexionseigenschaften unter der Oberfläche sind gut verstanden ", schrieben die Autoren.

Mit anderen Worten, die Antarktis ist zu kompliziert, um sie ohne sorgfältiges Studium als einfachen Spiegel zu behandeln. Die unter der Oberfläche vergrabenen Kristalle können Streiche spielen. Und diese Tricks könnten die Anomalie erklären.

"Eis ist Eis - bis es nicht mehr ist, oder?" Horodyskyj erzählte .

Glaziologen verwenden Radiowellen, um ständig Eis zu untersuchen, sagte sie. Durch eindringendes Radar können Merkmale sichtbar werden, die auf der Oberfläche nicht sichtbar sind. Aber diese Signale sind oft chaotisch und ihre Interpretation kann eher eine Kunst als eine Wissenschaft sein.

"Sie haben all diese verschiedenen Schichten von Dichten, die das gesamte Signal werfen könnten", sagte Horodyskyj. "Wenn Sie Metall, Trümmer, Steine, Wasser und Eis haben, sind diese wirklich leicht zu unterscheiden. Sie haben alle ihr eigenes Signal oder ihren eigenen Fingerabdruck. Aber wenn Sie sich einmal mit diesen Details des Eises befassen, ist es wirklich faszinierend, wie gleichmäßig die Weichheit des Eises ist ändert das Signal. "

Es ist nicht überraschend, sagte sie, dass diese subtilen Eismerkmale eine Illusion neuer Physik erzeugen könnten.

Offene Fragen

Physiker müssen mehr sehen, bevor sie auf die eine oder andere Weise überzeugt sind.

"Es ist eine mögliche Erklärung", sagte Peter Gorham, Physiker an der Universität von Hawaii in Mānoa und Leiter der ANITA-Zusammenarbeit, "aber meiner Meinung nach ziemlich unwahrscheinlich."

Die verwirrendste Implikation von Shoemakers Papier, sagte Fox, ist, dass jedes Eis, das die Anomalie erzeugt haben könnte, das Signal perfekt reflektiert.

Unter normalen Umständen springt eine Welle, die von etwas abprallt, nicht sauber ab - ob gespiegelt oder nicht. Unterschiedliche Wellenlängen werden normalerweise auf unterschiedliche Weise reflektiert, sagte Fox und hinterließ Spuren dessen, was Physiker "Verarbeitung" nennen.

"Die Sache ist, ich habe selbst auf die Welle geschaut", sagte Fox, "und ich habe nichts gesehen, was für mich nach Verarbeitung aussah."

Wenn etwas die Welle zurück zu ANITA reflektierte, tat es dies, ohne erkennbare Spuren zu hinterlassen.

"Das Signal ist sehr sauber, ganz im Einklang mit anderen normalen kosmischen Strahlen, die wir beobachtet haben. Die Daten enthalten keine Hinweise auf signifikante Störungen des Signals außerhalb einer normalen Reflexion", sagte Gorham .

Das Shoemaker-Papier bietet eine Erklärung dafür; Mit der richtigen Dichtestruktur kann ein Reflektor über verschiedene Wellenlängen gleichmäßig genug sein, um ein sauberes Signal zu verarbeiten. Es wäre wie ein super sauberer Spiegel.

In diesem Modell mit sauberen Spiegeln hätte es tatsächlich zwei Funkstöße für jede ANITA-Anomalie gegeben. Eine, die "primäre" Reflexion, wäre so umgedreht worden, wie ANITA es erwartet. Wenn die Oberfläche jedoch richtig geneigt wäre, würde sie von den ANITA-Sensoren abprallen. Nur der zweite Ausbruch, dieses saubere, nicht gespiegelte Echo, hätte die Empfänger von ANITA getroffen.

"Obwohl dies möglich ist, scheint dies einen Zufall zu erfordern, der sehr schwer zu beurteilen ist: eine unterirdische Schicht mit genau den richtigen Eigenschaften, kombiniert mit einer Oberflächensteigung, auch mit den richtigen Eigenschaften", sagte Gorham.

Der Schuhmacher sagte, als er anfing, die ANITA-Anomalie zu studieren, hoffte er, Beweise für neue Physik zu finden; er machte sich nicht daran, den Befund zu entlarven.

Zu diesem Zeitpunkt sagte er jedoch: "Wenn mich jemand fragen würde, ob dies eine Art neues steriles Neutrino oder Axion oder etwas [jenseits der Partikel des Standardmodells] ist, oder ist es Eis?" Ich würde sagen müssen: "Es ist Eis." Firn Density Inversions sind Dinge, von denen wir wissen, dass sie existieren, ohne dass neue Physik erforderlich ist. Wenn ich also eine Wette platzieren müsste, würde ich mein Geld darauf setzen. "

Indem das Team von Shoemaker genau zeigte, wie weit verbreitet diese Art von Merkmalen in der ANITA-Region sind, machte es deutlich, dass eine ungewöhnliche Reflexion die ANITA-Anomalie verursacht haben könnte, sagte Fox. Aber es ist noch kein Knockout-Schlag für die neue Physik. Um das Shoemaker-Papier zu bestätigen oder zu widerlegen, benötigen Sie direkte Beweise für diese Art ungewöhnlicher Reflexion in der Antarktis.

Bisher, sagte Gorham, sprechen die Beweise für nichts Seltsames im Eis.

"Die ANITA-Gruppe hat viele Studien zum Eis der Antarktis durchgeführt und mehrere Artikel auch in der glaziologischen Literatur veröffentlicht, die ein Jahrzehnt oder länger zurückreichen", sagte er. "Wir haben den Ort dieser Ereignisse über Satellitenaltimetrie und Radarkarten im Detail untersucht, und insbesondere für dieses Ereignis scheint es nichts Ungewöhnliches zu geben."

Er fügte hinzu, dass die ANITA-Zusammenarbeit vorläufige Ergebnisse einer noch nicht veröffentlichten Studie enthält, die dem zu widersprechen scheint, was Shoemaker und seine Mitautoren vorgeschlagen haben.

Das Shoemaker-Papier schlug vor, ein Team zu den Orten der Anomalien zu schicken und Radiowellen vom Eis abzuprallen, um zu sehen, was passieren würde.

Horodyskyj stimmte diesem Ansatz zu.

"Was Sie brauchen, ist Grundwahrheit", sagte sie.

Dieser Teil der Antarktis sei selbst für diesen leeren Kontinent ungewöhnlich verlassen, sagte sie. Beim Durchsuchen der glaziologischen Literatur habe sie wenig direkte Daten über die Zusammensetzung des Eises in der Region gefunden, in der ANITA die Anomalien entdeckt habe. Nur wenige Eisbohrkerne oder andere Untersuchungen am Boden bieten ein ausreichend klares Bild des unterirdischen Eises.

"Sie müssten herausfinden: Was ist der Fußabdruck des Experiments aus der Luft, die sie gemacht haben?" sagte sie und bezog sich auf den Bereich des Eises, aus dem das aufsteigende Teilchen zu kommen schien. "Wenn es 100 mal 100 Meter sind, möchten Sie genau das Gleiche auf dem Boden tun: 100 mal 100 Meter, gerastert, Markierungen und Ecken setzen, und dann würden Sie das Radar herausnehmen."

Ein Radar langsam über den Boden zu tragen, würde genug Details bieten, um das Eis wirklich zu verstehen. Je nach Logistik können Sie über die Landschaft laufen, Ski fahren oder ein Schneemobil benutzen.

Die stückweise Kartierung des Gebiets könnte die Tiefe der Übergänge von Firn zu Gletscher und andere Details aufdecken, die aus der Ferne nicht erkennbar wären, sagte sie.

"Oben in dem Gebiet, in dem sie arbeiten, ist es ziemlich trocken, so dass sich der Firn-Level im Vergleich zu Teilen entlang der Küste, in denen viel mehr Schmelzen auftritt, sehr tief ausdehnen kann", sagte sie. "Und dann wäre das andere, was ich gerne in der Mitte dieses Gitters tun würde, einen Eiskern zu nehmen."

Eine lange, physische Eisröhre könnte mit bloßem Auge unerwartete Schichten erkennen lassen, die mit Funksignalen in Konflikt geraten könnten, sagte sie.

Bis diese zusätzlichen Untersuchungen abgeschlossen sind, waren sich Horodyskyj und Fox einig, wird es schwierig sein, sicher zu wissen, ob die Erklärung von Shoemaker die ANITA-Anomalie entlarven kann oder ob diese neuen Erkenntnisse vollständig ausgeschlossen werden.

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Ursprünglich veröffentlicht am .

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