Труд
Автор:
Труд онлайн
Учените се опитват да разрешат десетгодишна мистерия, като определят идентичността на аномалните сигнали, засечени под леда в Антарктика.
Странните радиовълни се появиха по време на търсене на друго необичайно явление: високоенергийни космически частици, известни като неутрино. Пристигащи на Земята от далечните краища на космоса, неутрино често се нарича „призрачна частица“, защото е изключително летлива или парообразна и може да преминават през всякакъв вид материя, без да се променя.
През последното десетилетие изследователите са провели множество експерименти, използвайки огромни пространства вода и лед, предназначени да търсят неутрино, които биха могли да хвърлят светлина върху мистериозните космически лъчи, най-енергийните частици във Вселената. Един от тези проекти е експериментът на НАСА „Антарктическа импулсивна преходна антена“ или ANITA, в рамките на който балони, носещи инструменти, летяха над Антарктика между 2006 и 2016 г.
Именно по време на това търсене ANITA е уловила аномални радиовълни, които, изгрежда, не са били свързани с неутрино.
Сигналите идвали от под хоризонта, което предполага, че са преминали през хиляди километри скали, преди да достигнат детектора. Но радиовълните би трябвало да бъдат погълнати от скалата. Екипът на ANITA смятал, че тези аномални сигнали не могат да бъдат обяснени с настоящото разбиране за физиката на елементарните частици.
Последващи наблюдения и анализи с други инструменти, включително един, проведен наскоро от обсерваторията Пиер Оже в Аржентина, не са успели да открият същите сигнали. Резултатите от сътрудничеството Пиер Оже бяха публикувани в списание Physical Review Letters през март.
Произходът на аномалните сигнали остава неясен, каза съавторът на изследването Стефани Висел, доцент по физика, астрономия и астрофизика в Държавния университет на Пенсилвания.
„Нашето ново проучване показва, че такива (сигнали) не са били наблюдавани от други научни дейности, като обсерваторията Пиер Оже“, каза Висел. „Така че, това не показва, че има нова физика, а по-скоро повече информация, която да се добави към историята.“
По-големи и по-чувствителни детектори може да са в състояние да разрешат мистерията или в крайна сметка да докажат дали аномалните сигнали са били случайност, като същевременно продължават търсенето на енигматични неутрино и техните източници, казват учените.
Търсенето на неутрино
Откриването на неутрино на Земята позволява на изследователите да ги проследят до техните източници, които според учените са предимно космически лъчи, които попадат в атмосферата на нашата планета.
Космическите лъчи, най-енергийните частици във Вселената, са съставени предимно от протони или атомни ядра и се разпространяват из Вселената, защото каквото и да ги произвежда, е толкова мощен ускорител на частици, че засенчва възможностите на Големия адронен колайдер. Неутриното може да помогне на астрономите да разберат по-добре космическите лъчи и какво ги изстрелва в Космоса.
Но неутриното е трудно да се намери, защото почти няма маса и може да преминава през най-екстремните среди, като звезди и цели галактики, без да се промени. Частиците обаче взаимодействат с вода и лед.
ANITA е проектиран да търси неутрино с най-висока енергия във Вселената, с по-високи енергии от тези, които досега са били открити, каза Джъстин Ванденбрук, доцент по физика в Университета на Уисконсин, Мадисън. Радиоантените на експеримента търсят кратък импулс от радиовълни, произведени, когато неутрино се сблъска с атом в антарктическия лед, което води до дъжд от частици с по-ниска енергия, обясни той.
По време на полетите си ANITA е открила високоенергийни фонтани от частици, идващи от леда - един вид обърнат дъжд от космически лъчи. Детекторът е чувствителен и към космически лъчи с ултрависока енергия, които падат върху Земята и създават радиовзрив, който действа като лъч от радиовълни на фенерче.
Когато ANITA наблюдава космически лъч, лъчът на прожектора всъщност е изблик на радиовълни с дължина една милиардна част от секундата, който може да бъде картографиран като вълна, за да се покаже как се отразява от леда.
Аномалия в данните
Два пъти в данните си от полетите на ANITA, оригиналният екип на експеримента е забелязал сигнали, идващи през леда под много по-остър ъгъл от това, което са предскацали каквито и да е модели, което прави невъзможно проследяването на сигналите до техните оригинални източници.
„Радиовълните, които засякохме преди близо десетилетие, бяха под наистина стръмни ъгли, като 30 градуса под повърхността на леда“, каза Висел.
Неутриното могат да пътуват през много видове материя, но не чак и през Земята, каза Ванденбрук.
„Очаква се те да пристигнат от малко под хоризонта, където няма много Земя, в която да бъдат абсорбирани“, пише той в имейл. „Аномалните събития на ANITA са интригуващи, защото изглежда идват от доста под хоризонта, така че неутриното би трябвало да са преминали през голяма част от Земята. Това не е възможно според Стандартния модел на физиката на елементарните частици.“
Колаборацията Pierre Auger, която включва стотици учени по целия свят, анализира данни от повече от десетилетие, за да се опита да разбере аномалните сигнали, открити от ANITA.
Екипът също използва своята обсерватория, за да се опита да открие същите сигнали. Обсерваторията Auger е хибриден детектор, който използва два метода за откриване и изучаване на космически лъчи. Единият метод разчита на намирането на високоенергийни частици, докато те взаимодействат с вода в резервоари на земната повърхност, а другият проследява потенциални взаимодействия с ултравиолетова светлина високо в атмосферата на нашата планета.
„Обсерваторията Auger използва много различна техника за наблюдение на въздушни потоци от космически лъчи с ултрависока енергия, използвайки вторичното сияние на заредени частици, докато те преминават през атмосферата, за да определи посоката на космическия лъч, който го е инициирал“, обясни Питър Горъм, професор по физика в Университета на Хавай в Маноа. „Чрез използване на компютърни симулации на това как би изглеждал такъв потоци от частици сякаш ако се е държало като аномалните събития на ANITA, те са в състояние да генерират един вид шаблон за подобни събития и след това да търсят данните си, за да видят дали се появява нещо подобно.“
Горхам, който не е участвал в новото изследване, е проектирал експеримента ANITA и е провел други изследвания, за да разбере повече за аномалните сигнали.
Въпреки че обсерваторията Auger е проектирана да измерва низходящите потоци от частици, произведени в атмосферата от космически лъчи с ултрависока енергия, екипът е преработил анализа на данните си, за да търси възходящи въздушни потоци, каза Ванденбрук. Той не е работил по новото изследване, но го е рецензирал преди публикуването.
„Auger има огромна зона за събиране на информация за такива събития, по-голяма от ANITA“, каза той. „Ако аномалните събития на ANITA са произведени от всяка частица, пътуваща през Земята и след това произвеждаща възходящи потоци, тогава Auger би трябвало да е засекла много от тях, но не е.“
Отделно последващо проучване, използващо експеримента IceCube, който има сензори, вградени дълбоко в антарктическия лед, също търси аномалните сигнали.
„Тъй като IceCube е много чувствителен, ако аномалните събития на ANITA бяха неутрино, тогава щяхме да ги засечем“, пише Ванденбруке, който е бил съ-ръководител на работната група IceCube Neutrino Sources между 2019 и 2022 г.
„Това е интересен проблем, защото все още нямаме обяснение за това какви са тези аномалии, но това, което знаем, е, че най-вероятно не представляват неутрино“, каза Висел.
Колкото и да е странно, различен вид неутрино, наречено тау неутрино, е една от хипотезите, които някои учени са изложили като причина за аномалията. сигнали.
Тау неутрино могат да се регенерират. Когато се разпадат при високи енергии, те произвеждат друго тау неутрино, както и частица, наречена тау лептон - подобна на електрон, но много по-тежка.
Но това, което прави сценария с тау неутрино много малко вероятен, е колко е бил стръмен ъгъла, свързан със сигнала, каза Висел.
„Очаква се всички тези тау неутрино да са много, много близо до хоризонта, може би от един до пет градуса под хоризонта“, каза Висел. „Те са на 30 градуса под хоризонта. Просто има твърде много материал. Те наистина биха загубили доста енергия и не биха били откриваеми.“
Бъдещето на откриването
В крайна сметка Горъм и другите учени нямат представа какъв е произходът на аномалните събития ANITA. Досега никакви интерпретации не съвпадат със сигналите, което е причината учените да се връщат към опитите си да разрешат мистерията. Отговорът обаче може би е на хоризонта.
Уисел работи и върху нов детектор, Payload for Ultra-High Energy Observations или PUEO, който ще лети над Антарктида в продължение на месец, като мисията ще стартира през декември. По-голям и 10 пъти по-чувствителен от ANITA, PUEO би могъл да разкрие повече информация за това какво причинява аномалните сигнали, открити от ANITA, каза Уисел.
„В момента това е една от тези дългогодишни мистерии“, каза Уисел. „Развълнувана съм, че когато летим с PUEO, ще имаме по-добра чувствителност. По принцип би трябвало да можем да разберем по-добре тези аномалии, което ще ни помогне да разнищим нашия произход и в крайна сметка да открием неутрино в бъдеще.“
Горхам каза, че PUEO би трябвало да има чувствителността да улавя много аномални сигнали и да помага на учените да намерят отговор.
„Понякога просто трябва да се върнете към чертожната дъска и наистина да разберете какви са тези неща“, каза Висел. „Най-вероятният сценарий е, че това е някаква банална физика, която може да бъде обяснена, но ние сякаш чукаме на всички врати, за да се опитаме да разберем какви са те.“
