Il nostro miglior modello di fisica delle particelle sta esplodendo mentre lotta per contenere tutte le stranezze nell'universo. Ora, sembra più probabile che mai che possa scoppiare, grazie a una serie di strani eventi in Antartide ...
La morte di questo paradigma della fisica regnante, il Modello standard, è stata prevista per decenni. Ci sono accenni ai suoi problemi nella fisica che già abbiamo. Strani risultati di esperimenti di laboratorio suggeriscono sfarfallio di nuove specie spettrali di neutrini oltre le tre descritte nel Modello standard. E l'universo sembra pieno di materia oscura che nessuna particella del Modello Standard può spiegare.
Ma recenti prove allettanti potrebbero un giorno mettere insieme quei vaghi filoni di dati: tre volte dal 2016, particelle ad altissima energia sono esplose attraverso il ghiaccio dell'Antartide, innescando rivelatori nell'esperimento Antartico Impulsive Transient Antenna (ANITA), un macchina che pende da un pallone della NASA molto al di sopra della superficie ghiacciata.
Come riportato da Live Science nel 2018, quegli eventi - insieme a diverse particelle aggiuntive rilevate in seguito presso l'osservatorio IceCube sepolto nel neutrino antartico - non corrispondono al comportamento previsto di nessuna particella del Modello standard. Le particelle sembrano neutrini ad altissima energia. Ma i neutrini ad altissima energia non dovrebbero essere in grado di attraversare la Terra. Ciò suggerisce che un altro tipo di particella - una mai vista prima - si sta lanciando nel freddo cielo meridionale.
Ora, in un nuovo articolo, un team di fisici che lavorano su IceCube ha espresso forti dubbi su una delle ultime spiegazioni del modello standard rimaste per queste particelle: acceleratori cosmici, pistole di neutrini giganti che si nascondono nello spazio che periodicamente sparerebbero proiettili di neutrini intensi sulla Terra. Una raccolta di pistole a neutrino iperattivo da qualche parte nel nostro cielo settentrionale avrebbe potuto far esplodere abbastanza neutrini sulla Terra da rilevare particelle che sparavano dalla punta meridionale del nostro pianeta. Ma i ricercatori di IceCube non hanno trovato prove di quella raccolta là fuori, il che suggerisce che è necessaria una nuova fisica per spiegare le particelle misteriose.
Per capire perché, è importante sapere perché queste particelle misteriose sono così inquietanti per il Modello standard.
I neutrini sono le particelle più deboli che conosciamo; sono difficili da rilevare e quasi privi di massa. Attraversano continuamente il nostro pianeta - per lo più provenienti dal sole e raramente, se mai, si scontrano con i protoni, i neutroni e gli elettroni che compongono i nostri corpi e la sporcizia sotto i nostri piedi.
Ma i neutrini ad altissima energia provenienti dallo spazio profondo sono diversi dai loro cugini a bassa energia. Molto più rari dei neutrini a bassa energia, hanno "sezioni trasversali" più ampie, il che significa che hanno maggiori probabilità di scontrarsi con altre particelle mentre le attraversano. Le probabilità di un neutrino ad altissima energia che lo rende completamente intatto attraverso la Terra sono così basse che non ti aspetteresti mai di rilevarlo. Ecco perché i rilevamenti ANITA erano così sorprendenti: era come se lo strumento avesse vinto due volte alla lotteria, e poi IceCube l'avesse vinto un paio di volte non appena aveva iniziato a comprare i biglietti.
E i fisici sanno con quanti biglietti della lotteria hanno dovuto lavorare. Molti neutrini cosmici ad altissima energia provengono dalle interazioni dei raggi cosmici con lo sfondo cosmico a microonde (CMB), il debole bagliore del Big Bang. Di tanto in tanto, quei raggi cosmici interagiscono con il CMB nel modo giusto per sparare particelle ad alta energia sulla Terra. Questo si chiama "flusso", ed è lo stesso in tutto il cielo. Sia ANITA che IceCube hanno già misurato l'aspetto del flusso di neutrini cosmici a ciascuno dei loro sensori, e non produce abbastanza neutrini ad alta energia che ci si aspetterebbe di rilevare un neutrino che vola dalla Terra su uno dei rivelatori anche solo una volta .
"Se gli eventi rilevati da ANITA appartengono a questo componente neutrino diffuso, ANITA avrebbe dovuto misurare molti altri eventi ad altri angoli di elevazione", ha affermato Anastasia Barbano, un fisico dell'Università di Ginevra che lavora su IceCube.
Ma in teoria, ci potrebbero essere state fonti di neutrini ad altissima energia oltre il flusso nel cielo, disse Barbano a Live Science: quelle pistole di neutrini, o acceleratori cosmici.
"Se non si tratta di neutrini prodotti dall'interazione di raggi cosmici ad altissima energia con il CMB, gli eventi osservati possono essere o neutrini prodotti da singoli acceleratori cosmici in un dato intervallo di tempo" o una fonte terrestre sconosciuta, Disse Barbano.
Blazar, nuclei galattici attivi, esplosioni di raggi gamma, galassie stellari, fusioni di galassie e stelle di neutroni magnetizzate e a rotazione rapida sono tutti buoni candidati per questo tipo di acceleratori, ha detto. E sappiamo che nello spazio esistono acceleratori di neutrini cosmici; nel 2018, IceCube ha rintracciato un neutrino ad alta energia in un blazar, un intenso getto di particelle proveniente da un buco nero attivo al centro di una galassia lontana.
ANITA raccoglie solo i neutrini ad alta energia più estremi, ha detto Barbano, e se le particelle volanti verso l'alto fossero neutrini potenziati dall'accelerazione cosmica dal modello standard - molto probabilmente tau neutrini - allora il raggio avrebbe dovuto venire con una doccia più bassa particelle energetiche che avrebbero fatto scattare i rilevatori a bassa energia di IceCube.
"Abbiamo cercato eventi in sette anni di dati IceCube", ha detto Barbano - eventi che corrispondevano all'angolo e alla lunghezza dei rilevamenti ANITA, che ti aspetteresti di trovare se ci fosse una batteria significativa di pistole di neutrini cosmiche che sparavano sulla Terra per produrre queste particelle ascendenti. Ma nessuno è arrivato.
I loro risultati non eliminano completamente la possibilità di una fonte di accelerazione là fuori. Ma "limitano gravemente" la gamma di possibilità, eliminando tutti gli scenari più plausibili che coinvolgono acceleratori cosmici e molti meno plausibili.
"Il messaggio che vogliamo trasmettere al pubblico è che una spiegazione astrofisica del modello standard non funziona, non importa come la tagli", ha detto Barbano.
I ricercatori non sanno quale sarà il prossimo. Né ANITA né IceCube sono un rivelatore ideale per le necessarie ricerche di follow-up, ha detto Barbano, lasciando ai ricercatori pochissimi dati su cui basare i loro presupposti su queste particelle misteriose. È un po 'come cercare di capire l'immagine di un gigantesco puzzle da una manciata di pezzi.
In questo momento, molte possibilità sembrano adattarsi ai dati limitati, tra cui una quarta specie di neutrino "sterile" al di fuori del modello standard e una gamma di tipi teorici di materia oscura. Qualsiasi di queste spiegazioni sarebbe rivoluzionaria. Ma nessuna è ancora fortemente favorita.
"Dobbiamo aspettare la prossima generazione di rivelatori di neutrini", ha detto Barbano.
