Rudolf Cole
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Il y a quelque chose de mystérieux qui sort du sol gelé de l'Antarctique, et cela pourrait briser la physique telle que nous la connaissons.
Les physiciens ne savent pas ce que c'est exactement. Mais ils savent que c'est une sorte de rayon cosmique - une particule de haute énergie qui s'est frayé un chemin à travers l'espace, dans la Terre, puis en ressortit. Mais les physiciens des particules connaissent - la collection de particules qui composent ce que les scientifiques appellent le modèle standard (SM) de la physique des particules - ne devraient pas être en mesure de le faire. Bien sûr, il existe des neutrinos de faible énergie qui peuvent percer des kilomètres et des kilomètres de roches sans être affectés. Mais les neutrinos de haute énergie, ainsi que d'autres particules de haute énergie, ont de «grandes sections transversales». Cela signifie qu'ils s'écraseront presque toujours sur quelque chose peu de temps après avoir pénétré dans la Terre et ne sortiront jamais de l'autre côté..
Et pourtant, depuis mars 2016, les chercheurs s'interrogent sur deux événements en Antarctique où des rayons cosmiques ont éclaté de la Terre et ont été détectés par l'antenne antarctique impulsive transitoire de la NASA (ANITA) - une antenne à ballons dérivant sur le continent sud..
ANITA est conçu pour chasser les rayons cosmiques de l'espace extra-atmosphérique, de sorte que la communauté des neutrinos à haute énergie bourdonnait d'excitation lorsque l'instrument a détecté des particules qui semblaient exploser de la Terre au lieu de zoomer depuis l'espace. Parce que les rayons cosmiques ne devraient pas faire cela, les scientifiques ont commencé à se demander si ces faisceaux mystérieux sont constitués de particules jamais vues auparavant..
Depuis lors, les physiciens ont proposé toutes sortes d'explications pour ces rayons cosmiques «ascendants», des neutrinos stériles (neutrinos qui heurtent rarement la matière) aux «distributions atypiques de matière noire à l'intérieur de la Terre», faisant référence à la forme mystérieuse de la matière qui ne N'interagissez pas avec la lumière [Les 18 plus grands mystères non résolus de la physique]
Toutes les explications étaient intrigantes et suggéraient que l'ANITA aurait pu détecter une particule non prise en compte dans le modèle standard. Mais aucune des explications n'a démontré de manière concluante que quelque chose de plus ordinaire n'aurait pas pu provoquer le signal à l'ANITA.
Un nouvel article téléchargé aujourd'hui (26 septembre) sur le serveur de pré-impression arXiv change cela. Dans ce document, une équipe d'astrophysiciens de la Penn State University a montré qu'il y avait plus de particules de haute énergie montantes que celles détectées lors des deux événements ANITA. Trois fois, ont-ils écrit, IceCube (un autre plus grand observatoire de neutrinos en Antarctique) a détecté des particules similaires, bien que personne n'ait encore relié ces événements au mystère de l'ANITA. Et, en combinant les ensembles de données IceCube et ANITA, les chercheurs de Penn State ont calculé que, quelle que soit la particule jaillissant de la Terre, elle a beaucoup moins de chance sur 3,5 millions de faire partie du modèle standard. (En termes techniques et statistiques, leurs résultats avaient des confidences de 5,8 et 7,0 sigma, en fonction de celui de leurs calculs que vous regardez.)
Briser la physique
Derek Fox, l'auteur principal du nouveau document, a déclaré qu'il avait découvert les événements de l'ANITA pour la première fois en mai 2018, dans l'un des premiers articles tentant de les expliquer..
"Je me suis dit:" Eh bien, ce modèle n'a pas beaucoup de sens ", a déclaré Fox," mais le résultat [ANITA] est très intriguant, alors j'ai commencé à le vérifier. J'ai commencé à parler à mon voisin de bureau Steinn Sigurdsson [ le deuxième auteur sur le papier, qui est également à Penn State] pour savoir si nous pourrions peut-être obtenir des explications plus plausibles que les articles qui ont été publiés à ce jour. "
Fox, Sigurdsson et leurs collègues ont commencé à rechercher des événements similaires dans les données collectées par d'autres détecteurs. Lorsqu'ils sont tombés sur d'éventuels événements à la hausse dans les données IceCube, a-t-il dit, il s'est rendu compte qu'il avait peut-être rencontré quelque chose de vraiment révolutionnaire pour la physique. [5 particules mystérieuses cachées sous terre]
"C'est ce qui m'a vraiment fait avancer et regarder les événements de l'ANITA avec le plus grand sérieux", a-t-il déclaré, ajoutant plus tard: "C'est ce pour quoi les physiciens vivent. Briser les modèles, établir de nouvelles contraintes [sur la réalité], apprendre des choses sur l'univers nous ne savions pas. "
Comme indiqué précédemment, la physique expérimentale des particules à haute énergie est au point mort depuis plusieurs années. Lorsque le grand collisionneur de hadrons (LHC) de 17 milles (27 kilomètres) et d'une valeur de 10 milliards de dollars a été achevé à la frontière entre la France et la Suisse en 2009, les scientifiques ont pensé que cela permettrait de percer les mystères de la supersymétrie - la mystérieuse classe théorique de particules que les scientifiques soupçonnent. pourrait exister en dehors de la physique actuelle, mais n'avait jamais détecté. Selon la supersymétrie, chaque particule existante dans le modèle standard a un partenaire supersymétrique. Les chercheurs soupçonnent que ces partenaires existent parce que les masses de particules connues sont désordonnées - pas symétriques les unes par rapport aux autres.
«Même si le SM fonctionne très bien pour expliquer une pléthore de phénomènes, il présente encore de nombreux handicaps», a déclaré Seyda Ipek, physicien des particules à l'UC Irvine, qui n'était pas impliqué dans la recherche actuelle. "Par exemple, il ne peut pas expliquer l'existence de la matière noire, [expliquer l'étrangeté mathématique dans] les masses de neutrinos, ou l'asymétrie matière-antimatière de l'univers."
Au lieu de cela, le LHC a confirmé le boson de Higgs, la dernière partie non détectée du modèle standard, en 2012. Et puis il a cessé de détecter tout ce qui est important ou intéressant. Les chercheurs ont commencé à se demander si une expérience de physique existante pourrait jamais détecter une particule supersymétrique.
«Nous avons besoin de nouvelles idées», a déclaré Jessie Shelton, physicienne théorique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, en mai, à peu près au moment où Fox s'est intéressé pour la première fois aux données ANITA..
Maintenant, plusieurs scientifiques non impliqués dans l'article de Penn State ont déclaré qu'il offrait des preuves solides (bien qu'incomplètes) que quelque chose de nouveau était vraiment arrivé..
"Il était clair dès le départ que si les événements anormaux de l'ANITA sont dus à des particules qui s'étaient propagées sur des milliers de kilomètres de la Terre, alors ces particules n'étaient très probablement pas des particules SM", a déclaré Mauricio Bustamante, astrophysicien à l'Institut Niels Bohr à l'Université de Copenhague, qui n'était pas l'auteur du nouveau papier.
"Le document qui a paru aujourd'hui est le premier calcul systématique de la probabilité que ces événements soient dus aux neutrinos SM", a-t-il ajouté. "Leur résultat défavorise fortement une explication SM."
"Je pense que c'est très convaincant", a déclaré Bill Louis, physicien des neutrinos au Laboratoire national de Los Alamos qui n'était pas impliqué dans le document et qui suit les recherches sur les événements de l'ANITA depuis plusieurs mois..
Si la particule modèle standard a créé ces anomalies, il aurait dû s'agir de neutrinos. Les chercheurs savent qu'à la fois à cause des particules dans lesquelles elles se sont désintégrées et parce qu'aucune autre particule modèle standard n'aurait même un fragment de chance sur un million de traverser la Terre..
Mais les neutrinos de cette énergie, a déclaré Louis, ne devraient tout simplement pas traverser la Terre assez souvent pour que l'ANITA ou IceCube les détecte. Ce n'est pas comme ça qu'ils fonctionnent. Mais les détecteurs de neutrinos comme ANITA et IceCube ne détectent pas directement les neutrinos. Au lieu de cela, ils détectent les particules dans lesquelles les neutrinos se désintègrent après s'être écrasés dans l'atmosphère terrestre ou dans la glace antarctique. Et il y a d'autres événements qui peuvent générer ces particules, déclenchant les détecteurs. Cet article suggère fortement que ces événements doivent avoir été supersymétriques, a déclaré Louis, bien qu'il ait ajouté que plus de données sont nécessaires..
Fox et ses collègues ont poursuivi en affirmant que les particules sont très probablement une sorte de particule supersymétrique théorique appelée «stau sleptons». Les sleepons Stau sont des versions supersymétriques d'une particule de modèle standard appelée lepton tau. Le "S" est pour "supersymétrique" (vraiment). [Sparticules aux neutrinos: les petites particules les plus cool de l'univers]
Louis a dit qu'à ce stade, il pense que le niveau de spécificité est «un peu exagéré».
Les auteurs font un argument statistique solide selon lequel aucune particule conventionnelle ne serait susceptible de voyager à travers la Terre de cette manière, a-t-il déclaré, mais il n'y a pas encore suffisamment de données pour en être certains. Et il n'y a certainement pas assez pour qu'ils puissent déterminer définitivement quelle particule a fait le voyage.
Fox n'a pas contesté cela.
"En tant qu'observateur, je ne peux pas savoir que c'est un stau", a-t-il déclaré. «De mon point de vue, je traîne partout pour essayer de découvrir de nouvelles choses sur l'univers, je tombe sur un phénomène vraiment bizarre, puis avec mes collègues, nous faisons une petite recherche dans la littérature pour voir si quelqu'un a déjà pensé que cela pourrait arriver. Et puis, si nous trouvons des articles dans la littérature, y compris un article d'il y a 14 ans qui prédisent quelque chose comme ce phénomène, alors cela prend un poids très important de ma part. "
Lui et ses collègues ont trouvé une longue chaîne d'articles de théoriciens prédisant que les stau sleepons pourraient apparaître comme ça dans les observatoires de neutrinos. Et parce que ces articles ont été écrits avant l'anomalie ANITA, a déclaré Fox, cela lui suggère fortement que ces théoriciens étaient sur quelque chose..
Mais il reste beaucoup d'incertitude sur ce front, a-t-il dit. À l'heure actuelle, les chercheurs savent juste que quelle que soit cette particule, elle interagit très faiblement avec d'autres particules, sinon elle n'aurait jamais survécu au voyage à travers la masse dense de la planète..
Et après
Tous les physiciens qui ont parlé ont convenu que les chercheurs doivent collecter plus de données pour vérifier que l'ANITA et IceCube ont craqué la supersymétrie. Il est possible, a déclaré Fox, que lorsque les chercheurs d'IceCube fouilleront dans leurs archives de données, ils trouveront d'autres événements similaires qui étaient auparavant passés inaperçus. Louis et Bustamante ont tous deux déclaré que la NASA devrait effectuer plus de vols ANITA pour voir si des particules ascendantes similaires apparaissent..
"Pour que nous soyons certains que ces événements ne sont pas dus à des inconnues inconnues - disons, des propriétés non cartographiées de la glace antarctique - nous aimerions que d'autres instruments détectent également ce type d'événements", a déclaré Bustamante.
Sur le long terme, si ces résultats sont confirmés et que les détails de la particule qui les causent sont cloués, plusieurs chercheurs ont déclaré que l'anomalie ANITA pourrait ouvrir encore plus de nouvelle physique au LHC..
"Toute observation d'une particule non-SM changerait la donne, car elle nous indiquerait quel chemin nous devrions prendre après le SM", a déclaré Ipek. "Le type de particule [supersymétrique] dont ils prétendent avoir produit les signaux, les dormons, est très difficile à produire et à détecter au LHC."
"Donc, il est très intéressant de pouvoir les observer par d'autres types d'expériences. Bien sûr, si cela est vrai, alors nous nous attendrons à ce qu'une échelle d'autres particules [supersymétriques] soit observée au LHC, ce qui serait un complément test des revendications. "
En d'autres termes, les anomalies ANITA pourraient offrir aux scientifiques les informations clés nécessaires pour régler correctement le LHC afin de débloquer davantage de supersymétrie. Ces expériences pourraient même expliquer la matière noire.
En ce moment, Fox a dit, il a juste faim de plus de données.