המודל הטוב ביותר שלנו לפיזיקת החלקיקים מתפרץ בתפרים כשהוא נאבק להכיל את כל המוזרות ביקום. עכשיו, נראה יותר מתמיד שהוא עשוי לצוץ, בזכות סדרת אירועים מוזרים באנטארקטיקה ...
מותה של פרדיגמת הפיסיקה השלטת הזו, המודל הסטנדרטי, ניבא במשך עשרות שנים. יש רמזים לבעיות שלו בפיזיקה שכבר יש לנו. תוצאות מוזרות מניסויים במעבדה מצביעות על הבהוב של מינים חדשים של רפאים נויטרנויים מעבר לשלושה המתוארים במודל הסטנדרטי. והיקום נראה מלא בחומר אפל ששום חלקיק במודל הסטנדרטי לא יכול להסביר.
אולם עדויות מסקרנות אחרונות עשויות יום אחד לקשור את אותם גדילי נתונים מעורפלים: שלוש פעמים מאז 2016, חלקיקי אנרגיה אולטרה-גבוהה התפוצצו דרך קרח אנטארקטיקה והפיצו גלאים בניסוי אנטנה ארסיבית אימפולסיבית (ANITA), מכונה משתלשלת מבלון נאס"א הרחק מעל פני השטח הקפואים.
כפי שדיווח Live Science בשנת 2018, אירועים אלה - יחד עם מספר חלקיקים נוספים שהתגלו מאוחר יותר במצפה הנויטרנו המצוי באנטארקטיקה IceCube - אינם תואמים את ההתנהגות הצפויה של חלקיקים מודל סטנדרטיים כלשהם. החלקיקים נראים כמו נייטרינים בעלי אנרגיה גבוהה במיוחד. אבל נייטרינים בעלי אנרגיה גבוהה במיוחד לא צריכים להיות מסוגלים לעבור בכדור הארץ. זה מרמז כי חלקיק מסוג אחר - כזה שמעולם לא נראה לפני כן - משליך את עצמו לשמיים הדרומיים הקרים.
כעת, במאמר חדש, צוות פיזיקאים שעובד ב- IceCube הטיל ספק כבד על אחד ההסברים האחרונים לדגם הסטנדרט שנותרו לחלקיקים אלה: מאיצים קוסמיים, רובי נייטרינו ענקיים המסתתרים בחלל שיורים מעת לעת כדורי נייטרינו עזים בכדור הארץ. אוסף של רובי נייטרינו היפראקטיביים אי שם בשמיים הצפוניים שלנו יכול היה לפוצץ מספיק נייטרינו בכדור הארץ שנוכל לזהות חלקיקים היורים בקצה הדרומי של כוכב הלכת שלנו. אולם חוקרי IceCube לא מצאו שום ראיה לאוסף הזה שם, מה שמרמז כי יש צורך בפיזיקה חדשה כדי להסביר את החלקיקים המסתוריים.
כדי להבין מדוע, חשוב לדעת מדוע חלקיקי התעלומה הללו כל כך מעורערים בדגם הסטנדרטי.
נייטרינו הם החלקיקים הקלושים ביותר שאנו יודעים עליהם; הם קשים לאיתור וכמעט חסרי המונים. הם עוברים בכוכב הלכת שלנו כל הזמן - מגיעים בעיקר מהשמש ולעתים רחוקות, אם בכלל, מתנגשים בפרוטונים, הנויטרונים והאלקטרונים המרכיבים את גופנו והלכלוך שמתחת לרגלינו.
אך נייטרינים בעלי אנרגיה גבוהה במיוחד מהחלל העמוק שונים מבני דודיהם בעלי האנרגיה הדלה. הם הרבה יותר נדירים מאשר נייטרינים בעלי אנרגיה נמוכה, יש להם "חתכים רוחביים" רחבים יותר, כלומר, סביר יותר שהם יתנגשו עם חלקיקים אחרים כאשר הם עוברים דרכם. הסיכויים של נייטרינו אולטרה-גבוה-אנרגיה שיגרום לו לעבור את כל כדור הארץ שלמים הם כה נמוכים שלעולם לא הייתם מצפים לגלות שזה קורה. זו הסיבה שגילויי ANITA היו כל כך מפתיעים: זה היה כאילו המכשיר זכה בהגרלה פעמיים, ואז IceCube זכה בו עוד כמה פעמים ברגע שהחל לרכוש כרטיסים.
ופיזיקאים יודעים כמה כרטיסי הגרלה הם היו צריכים לעבוד איתם. נייטרינים קוסמיים רבים במיוחד בעלי אנרגיה גבוהה במיוחד באים מהאינטראקציה של קרניים קוסמיות עם הרקע הקוסמי הקוסמי (CMB), זרימת העין הקלושה של המפץ הגדול. מדי פעם, אותם קרניים קוסמיות מקיימות אינטראקציה עם ה- CMB בדרך הנכונה לירות של חלקיקי אנרגיה גבוהה בכדור הארץ. זה נקרא "שטף", וזה אותו דבר בכל רחבי השמיים. גם ANITA וגם IceCube מדדו כבר איך נראה שטף הנייטרינו הקוסמי לכל אחד מהחיישנים שלהם, והוא פשוט לא מייצר מספיק נייטרינו עם אנרגיה גבוהה שתצפו לגלות נייטרינו שעף מכדור הארץ בשני גלאים אפילו פעם אחת .
אנסטסיה ברבנו, פיזיקאית באוניברסיטת ז'נבה שעובדת ב- IceCube, אמרה כי "אם האירועים שאותרו על ידי ANITA שייכים למרכיב נייטרינו מפוזר זה, ANITA היה צריך למדוד אירועים רבים אחרים בזוויות גובה אחרות".
אך בתיאוריה, היו יכולים להיות מקורות נייטרינו בעלי אנרגיה גבוהה במיוחד מעבר לשטף השמים, אמר ברבאנו ל- Live Science: אותם תותחי נייטרינו, או מאיצים קוסמיים.
"אם זה לא עניין של נייטרינים המיוצרים על ידי אינטראקציה של קרניים קוסמיות אולטרה גבוהה-אנרגיה עם ה- CMB, אז האירועים שנצפו יכולים להיות נייטרינים שמופקים על ידי מאיצים קוסמיים בודדים בפרק זמן נתון" או מקור מקור ארצי לא ידוע, ברבנו אמר.
בלייזרים, גרעינים גלקטיים פעילים, התפרצויות קרני גאמה, גלקסיות התפרצות כוכבים, מיזוגי גלקסיה וכוכבי נויטרונים ממוגנטים ומסתובבים במהירות - כולם מועמדים טובים לסוגים אלה של מאיצים, אמרה. ואנחנו יודעים שמאיצי נייטרינו קוסמיים אכן קיימים בחלל; בשנת 2018 אייס קיוב עקבה אחר נייטרינו בעל אנרגיה גבוהה לבלייזר, סילון חלקיקים אינטנסיבי שמגיע מחור שחור פעיל במרכז גלקסיה רחוקה.
אניטה מרימה רק את הנייטרינים האנרגטיים הגבוהים הקיצוניים ביותר, אמרה ברבנו, ואם החלקיקים המעופפים כלפי מעלה היו נייטרינים שהביאו למאיצים קוסמיים מהדגם הסטנדרטי - ככל הנראה נייטרינו טאו - אז הקורה הייתה צריכה לבוא עם מקלחת של נמוך יותר -חלקיקי אנרגיה שהיו מעלימים את גלאי האנרגיה התחתונה של IceCube.
"חיפשנו אירועים בשבע שנים של נתוני אייס קיוב", אמר ברבנו - אירועים שתואמים את הזווית והאורך של הגילויים של ANITA, אותם הייתם מצפים למצוא אם יש סוללה משמעותית של אקדחי נייטרינו קוסמיים בחוץ שיורים על כדור הארץ לייצר חלקיקים מתקדמים אלה. אבל אף אחד לא הגיע.
התוצאות שלהם לא מבטלות לחלוטין את האפשרות למקור מאיץ שם בחוץ. אך הם אכן "מגבילים" מאוד את מגוון האפשרויות, ומבטלים את כל התרחישים הכי מתקבלים על הדעת שבהם מעורבים מאיצים קוסמיים ורבים פחות מתקבלים על הדעת.
"המסר שאנחנו רוצים להעביר לציבור הוא שהסבר אסטרופיזי סטנדרטי מודל לא עובד לא משנה איך אתה פורס אותו", אמר ברבנו.
חוקרים לא יודעים מה הלאה. לא ANITA ולא IceCube הם גלאי אידיאלי לחיפושי המעקב הדרושים, אמר ברבנו, והשאיר לחוקרים מעט מאוד נתונים עליהם ניתן לבסס את הנחותיהם לגבי החלקיקים המסתוריים הללו. זה קצת כמו לנסות להבין את התמונה בפאזל ענק רק מקומץ חתיכות.
נכון לעכשיו, נראה כי אפשרויות רבות מתאימות לנתונים המוגבלים, כולל מין רביעי של נייטרינו "סטרילי" מחוץ לדגם הסטנדרטי ומגוון סוגים תיאורטיים של חומר אפל. כל אחד מההסברים הללו יהיה מהפכני. גהה, אך אף אחד מהם אינו מועדף עד כה.
"עלינו לחכות לדור הבא של גלאי נייטרינו," אמר ברבנו.
