Non un universo parallelo: la ricerca di neutrini, particelle di messaggeri spettrali

Queste minuscole particelle cosmiche ad alta energia sono spesso chiamate “spettrali” perché sono particelle estremamente volatili o vaporose che possono passare attraverso qualsiasi tipo di materia senza cambiare.

I neutrini non hanno quasi massa e possono viaggiare attraverso gli ambienti più estremi, come stelle, pianeti e intere galassie, e non cambiano affatto la loro struttura.

“I neutrini sono queste particelle folli e bizzarre. Nessuno ha ordinato tutte le caratteristiche folli che hanno, si sono appena presentati e stiamo ancora cercando di capire cosa siano”, ha detto il professore di fisica Peter Gorham. presso l’Università delle Hawaii a Mānoa. “L’universo sta esplodendo nelle cuciture. Un miliardo di loro passa attraverso il nostro naso ogni secondo e non lo sentiamo nemmeno.”

Dati raccolti da rilevatori in Antartide e squadre di devoto gli scienziati hanno suggerito nuove prospettive sui neutrini, nonché alcune anomalie che non possono essere spiegate.

I dati, tuttavia, non hanno dimostrato l’esistenza di un universo parallelo, ha affermato Gorham, che è anche il principale investigatore di ANITA, acronimo di Antarctic Impulsive Transient Antenna, un rilevatore di particelle ad alta energia in Antartide.

Perché la confusione?

Articoli recenti di altri media su alcuni dei dati insoliti raccolti da ANITA hanno confuso le teorie dei fisici al di fuori dell’esperimento con quelle dei ricercatori che usano lo strumento. Una di queste teorie riguarda l’idea di un universo parallelo. Gorham ha osservato, tuttavia, che il team di ricercatori direttamente coinvolti non ha posto questa teoria.

La cosa eccitante della ricerca di capire i neutrini, le strane particelle rilevate sulla Terra che sono diffuse nell’universo, è che sono in corso e in evoluzione – e sono solo all’inizio, davvero. Mentre potrebbero essere necessari decenni per capire davvero cosa possono dirci, gli scienziati credono che rintracciare i neutrini alle loro fonti possa far luce sulle loro origini nel lontano universo.

Alcuni fisici affermano che questo sta portando a una nuova era nell’astronomia dei neutrini. Per quanto siano strani, i neutrini possono aiutarci a capire l’universo in modi nuovi. Ecco perché.

Neutrini sulla Terra

Rilevare neutrini sulla Terra può consentire loro di rintracciare le loro fonti, che potrebbero rivelare di più sull’origine dei misteriosi raggi cosmici.

I raggi cosmici, le particelle più energiche dell’universo, bombardano la Terra dallo spazio. Le loro particelle ionizzanti nella nostra atmosfera furono rilevate per la prima volta oltre 100 anni fa, nel 1912, dal fisico Victor Hess. Decise che venivano dallo spazio.

I raggi cosmici sono costituiti principalmente da protoni o nuclei atomici e vengono lanciati attraverso l’universo perché tutto ciò che li produce è un acceleratore di particelle così potente da eclissare le capacità del collettore di adroni grandi vicino a Ginevra .

Ma questi raggi hanno incuriosito gli scienziati dalla loro scoperta. Da dove vengono e cosa li crea e li lancia? I neutrini potrebbero dircelo.

“Per me, i neutrini sono la chiave per conoscere l’universo più estremo”, ha affermato Abigail Vieregg, professore associato presso il dipartimento di fisica dell’Università di Chicago, l’Istituto Enrico Fermi e l’Istituto Kavli per la fisica cosmologica.

“Ci consentiranno di scoprire le fonti dell’universo che producono gli elementi più energetici che piovono su di noi, come i raggi cosmici. Viaggiano molto lontano nell’universo. Mentre altre particelle si mescolano nella polvere di l’universo, i neutrini sono un segnale puro e bello che indica da dove vengono. Penso a loro come a un perfetto messaggero, e ci parlano da fonti lontane. “

Ma Vieregg ha affermato che la bellezza del segnale puro fornito dai neutrini funge da spada a doppio taglio: sono difficili da rilevare perché non interagiscono spesso con il loro ambiente.

Tuttavia, i neutrini interagiscono con il ghiaccio. E la più alta concentrazione di ghiaccio sul nostro pianeta è in Antartide.

La ricerca sul neutrino prosegue da tempo con risultati entusiasmanti negli ultimi anni. Nel 2018, gli scienziati sono stati in grado di rintracciare le origini di un neutrino che percorreva 3,7 miliardi di anni luce sulla Terra usando sensori situati nel ghiaccio antartico del rivelatore IceCube dell’Osservatorio del Neutrino Pole. Sud.
il Rilevatore IceCube è diventato operativo nel 2010. In gran parte finanziato dalla National Science Foundation, IceCube è stato costruito per rilevare neutrini ad alta energia. È il più grande rivelatore del suo genere.

Per costruirlo, i lavoratori hanno praticato 86 buche nel ghiaccio, ciascuna profonda 1,5 miglia, e distribuito una rete di 5.160 sensori di luce su una griglia di 1 chilometro cubo. È gestito da un team con sede presso l’Università del Wisconsin-Madison, ma la collaborazione IceCube stessa comprende 300 scienziati e 49 istituzioni.

Nel 2013, IceCube ha scoperto i primi neutrini ad alta energia oltre la nostra galassia e ha continuato a osservare un numero di neutrini ad alta energia senza seguirli fino all’estate del 2018. IceCube monitora il cielo e rileva circa 200 neutrini al giorno, ma la maggior parte sono a bassa energia, creati quando i raggi cosmici interagiscono con l’atmosfera terrestre.

Ma non è l’unico rivelatore che cerca di capire i neutrini nel ghiaccio antartico.

Esperienze ANITA

Mentre i sensori IceCube sono profondi sotto il ghiaccio, ANITA vola ben al di sopra di essi.

Le radici di ANITA risalgono a 20 anni fa, ha affermato l’investigatore capo Gorham. Lui e il fisico David Saltzberg, professore e direttore del dipartimento di fisica e astronomia dell’Università della California a Los Angeles, hanno lavorato su ricerche ed esperimenti per confermare una previsione del fisico russo-armeno Gurgen Askaryan. Ha suggerito che quando una particella di alta energia interagisce in un mezzo solido come il ghiaccio, crea una pioggia secondaria di particelle nota come cascata elettromagnetica.

Questo effetto potrebbe quasi creare un mini-flash all’interno del materiale in cui interagisce. Ad esempio, se questa particella riuscisse a penetrare e interagire profondamente nel ghiaccio antartico, un lampo blu visibile sarebbe creato da un lampo lungo 20-30 piedi. Questa luce blu è conosciuta come radiazione Cherenkov.

Askaryan si rese conto che oltre alla luce blu si sarebbe verificata anche un’esplosione di trasmissioni radio. Nel 2001 Gorham e Saltzberg misurarono con successo questa seconda esplosione di onde radio in un esperimento di laboratorio per la prima volta, dimostrando che la previsione di Askaryan nel 1962 era corretta.

Le 48 antenne ANITA sono rivolte al ghiaccio antartico su una gondola alta 25 piedi.

Erano attratti dall’idea di usare il ghiaccio per rilevare l’interazione dei neutrini nei raggi cosmici ad altissima energia. Le onde radio si propagano ulteriormente nel ghiaccio freddo rispetto alla luce ottica. È così che geofisici e glaciologi possono sondare le parti inferiori dei ghiacciai e usare il radar per guardare attraverso spesse calotte di ghiaccio.

ANITA è diventato il prossimo passo logico, ha detto Gorham.

“Se vogliamo vedere i neutrini, forse dovremmo sorvolare un rivelatore radio sull’Antartide e aspettare che appaiano le radio”, ha detto Gorham alla CNN, ricordando una conversazione che ha aveva avuto con Saltzberg il progetto ANITA.

Hanno progettato lo strumento ANITA come un radiotelescopio per rilevare neutrini ad alta energia che potrebbero essere collegati a un pallone scientifico che sorvola l’Antartide. Ogni volo è durato circa un mese, il primo ha avuto luogo nel 2006 e l’ultimo alla fine del 2016. ANITA è stato finanziato dalla NASA.

Anomalie ANITA

Finora, gli investigatori ANITA non hanno visto prove convincenti di neutrini – nella definizione tradizionale che stavano cercando – tramite schegge a cascata nelle calotte di ghiaccio, ha detto Gorham.

Ma ha rilevato qualcosa di intrigante. ANITA è stato progettato per rilevare le docce di particelle di raggi cosmici mediante segnali radio, sia scendendo verso il ghiaccio, sia salendo dopo aver rimbalzato.

E durante i suoi voli, ANITA ha trovato fontane ad alta energia di particelle provenienti dal ghiaccio, una specie di pioggia sottosopra dei raggi cosmici.

I neutrini sono disponibili in tre versioni: essenzialmente neutrini elettronici, neutrini muonici e neutrini tau. Sebbene siano cugini carichi di particelle con proprietà uniche, ci sono modi limitati per distinguerle, ha detto Gorham.

Gli scienziati condividono nuovi dettagli sul misterioso & # 39; particella fantasma & # 39;

Il neutrino tau ha una caratteristica interessante in quanto si rigenera. Questi neutrini hanno una breve durata di vita, ma quando decadono ad alte energie, producono un altro neutrino tau, così come una particella chiamata lepton tau, e così via. Ciò significa che è più probabile che passino rispetto ad altri neutrini.

E se questo decadimento si verifica nell’atmosfera, crea una cascata di particelle come un raggio cosmico.

Per coincidenza, ANITA è sensibile ai raggi cosmici ad altissima energia che piovono sulla Terra e creano uno scoppio radio che si comporta come un raggio di torcia di onde radio.

La prospettiva unica di ANITA significa che sta guardando il ghiaccio, nella stessa direzione di un raggio che pioverebbe e si rifletterebbe sulla superficie del ghiaccio.

Quando ANITA guarda un raggio cosmico, il raggio della torcia è in realtà uno scoppio di onde radio di un miliardesimo di secondo che può essere mappato, come un’onda, con un certo ordine di picchi e depressioni da mostrare come si riflette sul ghiaccio – probabilmente al contrario.

Ma due volte nei loro dati di volo ANITA, i ricercatori hanno individuato quella che sembrava essere l’eruzione di una particella ad alta energia che saliva attraverso il ghiaccio. L’ordine dei picchi e delle valli non è stato invertito.

I neutrini a bassa energia potrebbero essere in grado di attraversare il nostro pianeta incolumi, ma i neutrini ad alta energia subirebbero un arresto più intenso e non verrebbero fuori dal ghiaccio.

I ricercatori hanno pensato. Forse se un neutrino di tau si propaga attraverso la Terra e fuoriesce dal ghiaccio, rigenerandosi lungo la strada, creerebbe un raggio di torcia radio simile che punta verso ANITA.

Il pallone trasporta l'esperienza ANITA nella stratosfera sopra l'Antartide, che si trova a 10,2 miglia sopra la superficie della Terra.

Ma un neutrino di tau, anche con le sue rigenerazioni, potrebbe andare così lontano attraverso la Terra e produrre pioggia attraverso il ghiaccio che punta verso ANITA? Gorham e i suoi colleghi non ci credevano: il neutrino si sarebbe esaurito il gas, per così dire.

Era solo l’inizio di un mistero, con la firma di qualcosa di troppo profondo per essere un neutrino in senso normale, e senza spiegazioni oltre.

ANITA e IceCube

Gorham e colleghi stanno ancora rivedendo i dati del quarto volo di ANITA. Hanno usato l’analisi cieca, in cui nascondono determinate caratteristiche dei dati, quindi non possono semplicemente produrre ciò che vogliono vedere.

Durante il terzo volo, hanno due eventi che possono segnalare una particella insolita, o uno che può essere spiegato da una fisica più banale che non capiscono, disse Gorham.

ANITA e IceCube si completano davvero a vicenda perché possono vedere e rilevare le cose in modo diverso.

Le 48 antenne ANITA – installate su una gondola a palloncino alta 25 piedi – indica il ghiaccio dall’alto nella ricerca di onde radio create da neutrini ad alta energia quando colpiscono un atomo nel ghiaccio.

Cosa ha creato questo & # 39; particella fantasma & # 39; di spazio trovato sulla Terra?

Quando un neutrino interagisce con il nucleo di un atomo, crea una particella carica secondaria, producendo un cono di luce blu che può essere rilevato e mappato dalla griglia del sensore di luce IceCube e risalire alla sua sorgente.

IceCube a rilevamenti di tracciamento fatto da ANITA per determinare se poteva vederli.

“IceCube non vede questi eventi nonostante il fatto che la nostra sensibilità sia di un ordine di grandezza superiore a quella di ANITA”, ha affermato Francis Halzen, principale investigatore e professore di IceCube Hilldale e Gregory Breit presso l’Università del Wisconsin-Madison , in un’e-mail alla CNN.

“Abbiamo pubblicato le nostre conclusioni e la collaborazione ANITA non le mette in discussione. Rimane un problema irrisolto.

In questo rendering artistico, basato su un'immagine reale dell'IceCube Lab al Polo Sud, una fonte distante emette neutrini che vengono rilevati sotto il ghiaccio dai sensori IceCube.

“È chiaro, tuttavia, che questi eventi non possono essere neutrini che hanno attraversato la Terra e in qualche modo sfuggito al rilevamento da parte di IceCube”, ha detto Halzen.

“La conclusione è che devono essere venuti dall’alto e riflessi sul ghiaccio nel rivelatore ANITA senza lasciare una firma nel ghiaccio profondo dove IceCube li avrebbe registrati.”

“ANITA osserva regolarmente tali eventi; sono raggi cosmici che si riflettono sulla superficie del ghiaccio. L’anomalia è che due eventi non hanno cambiato la polarizzazione quando sono riflessi. Questo è il risultato di “una nuova fisica, sia in modo imprevisto che le particelle possono riflettere dalla superficie del cappuccio polare”.

Gorham ha detto che c’è un’inevitabile tensione tra i risultati di ANITA e IceCube perché non vedono le stesse cose e non sanno ancora come risolvere questo problema. Sono rivelatori molto diversi che usano metodi diversi.

“In fisica, questa è una buona cosa”, ha detto Gorham. “È fantastico affrontare un problema da angolazioni diverse utilizzando tecniche diverse. A volte è il modo in cui si ottiene la migliore visione di qualcosa.”

Crea confusione in un universo parallelo

In Aprile, Nuovo scienziato pubblicato un articolo sulla ricerca ANITA su neutrini e rilevamenti anomali, includendo teorie e suggerimenti di altri fisici ben rispettati non associati alla ricerca di Gorham.
Questo includeva a Studio 2018 del fisico Luis A. Anchordoqui, professore nel dipartimento di fisica e astronomia del Lehman College, che ha applicato il concetto di universo parallelo del fisico Neil Turok, chiamato un universo simmetrico CPT, come possibile spiegazione fisica degli eventi anomali dei due rilevamenti di particelle ad alta energia osservati da ANITA, ha detto Gorham. Turok è il regista emerito e detiene la cattedra Niels Bohr di Mike e Ophelia Lazaridis in Fisica teorica presso l’Istituto perimetrale di fisica teorica.

Ci sono molti più dettagli sulle teorie di Turok e Anchordoqui, sia nell’articolo che nei loro studi.

Quando altri media gli sbocchi subentrarono alla storia, che seguì fu una fusione di teorie come l’idea di un universo parallelo direttamente associato alla ricerca e alle dichiarazioni di Gorham sull’ANITA.

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“La NASA e il team di Gorham non credono che i dati raccolti siano la prova di un universo parallelo”, ha affermato l’agenzia. “La NASA attinge al processo di revisione tra pari della comunità scientifica attraverso riviste e pubblicazioni di ricerca. I tabloid hanno collegato in modo fuorviante la NASA e il lavoro sperimentale di Gorham, che ha identificato alcuni anomalie nei dati, a una teoria avanzata da fisici esterni estranei al lavoro. Gorham ritiene che ci siano spiegazioni più plausibili e più facili per le anomalie “.

L’Università delle Hawaii a Mānoa ha anche pubblicato a pubblicazione affrontare la domanda.

Gorham ha affermato che dal suo livello intestinale a questo punto del loro lavoro, nessuna delle possibili spiegazioni per le anomalie è del tutto soddisfacente. Ha citato l’approccio affilatissimo di Occam: “La spiegazione più probabile per qualsiasi fenomeno è la più semplice”, ha detto Gorham. “Per il momento, non ne abbiamo uno semplice.”

ANITA ha volato quattro volte dall'inizio degli esperimenti nei primi anni 2000.

Anche la fisica esotica, come l’idea di un universo parallelo, non fornisce spiegazioni semplici.

“Non ho alcun problema con questo tipo di speculazioni gratuite”, ha detto Gorham. “Penso che sia meraviglioso per i fisici esplorare tutte le possibilità di un risultato anormale. È ancora una spiegazione valida, ma a mio avviso, probabilmente non è la spiegazione più probabile.”

Dopo la diffusione di articoli contenenti informazioni errate, seguì una reazione contro l’idea di un universo parallelo.

“Neil Turok e Luis Anchordoqui sono fisici seri”, ha detto Gorham. “Non farei mai la cacca di tutto ciò che presumono e la scienza non dovrebbe funzionare in questo modo. Esaminiamo le ipotesi, vediamo se possono essere testate e proviamo a fare quei test.”

Il futuro dell’astronomia dei neutrini

Le prossime generazioni di IceCube e ANITA potrebbero fornire il maggior numero di informazioni e informazioni sui neutrini fino ad oggi.

Per ANITA, è PUEO e RNO. Vieregg, che era uno studente laureato su un primo volo ANITA, sarà il principale investigatore per i due.

PUEO è il carico utile per osservazioni ad altissima energia, simile nel design all’ANITA, e sorvolerà anche l’Antartide in mongolfiera. Questo strumento ha beneficiato delle lezioni apprese dall’esperienza ANITA. La tecnologia sviluppata per PUEO è 10 volte più sensibile e consentirà agli scienziati di scavare ancora di più nella ricerca sui neutrini, “con un po ‘di fortuna scoprire ciò che l’universo ha da offrire alle energie più elevate in termini di neutrini”, disse Vieregg.

L’osservatorio del radio neutrino è un esperimento a terra che posizionerà antenne radio attraverso la calotta di ghiaccio della Groenlandia. Questa posizione sul terreno consentirà ai ricercatori di cercare particelle a bassa energia che non emettono un segnale così luminoso, che si sovrappone a IceCube.

Neutrini, fantasmi dell'universo

E IceCube stesso riceverà un aggiornamento, che si chiama IceCube Gen 2. Sono in corso progressi per quanto riguarda “l’aggiornamento continuo del rilevatore e i nostri preparativi per lo strumento di prossima generazione che sarà nell’ordine di grandezza maggiore “disse Halzen.

Insieme, PUEO, RNO e IceCube2 fungeranno da insieme di osservatori che coprono la gamma di neutrini e le loro gamme di energia.

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“Quello che abbiamo imparato da ANITA e IceCube ci fornisce gli strumenti per costruire la prossima generazione e farlo in un modo che raggiunga rapidamente la scienza”, ha detto Vieregg.

Poiché Gorham immagina il futuro dello studio dei neutrini, è più simile a una maratona che a uno sprint, ma ne vale la pena.

“Quello che facciamo per generazioni abbraccia una generazione è il beneficio per la società che dobbiamo guardare”, ha detto Gorham.

“Quando Pierre Curie scoprì le radiografie del radio che aveva messo nel suo ufficio nel 1890, non sapeva che, una generazione dopo, le radiografie sarebbero forse diventate lo strumento medico più prezioso di sempre e lo sono ancora. Se i fisici non avessero lavorato alla meccanica quantistica negli anni ’20 e ’30, non avremmo mai ottenuto transistor negli anni ’50 e ’60. computer oggi.

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“Queste cose richiedono a una generazione di svilupparsi davvero in termini di benefici, e questo è certamente il caso dei neutrini. Potrebbe essere un’altra generazione prima di capirle, e non possiamo prevedere quale potrebbe essere il risultato , ma probabilmente sarà fantastico. “

L’inizio dell’astronomia dei neutrini sta accadendo, ha detto Vieregg. Quando i ricercatori scoprono le fonti di questi neutrini, possono raccogliere una panoramica.

E viviamo anche in un’epoca in cui l’astronomia multi-messenger – una combinazione di osservazioni e dati attraverso lo spettro elettromagnetico – aiuta a far luce su eventi precedentemente misteriosi nell’universo. Questi messenger includono il rilevamento di onde gravitazionali o increspature nello spazio-tempo, nonché il rilevamento della traccia dei neutrini da parte di IceCube nel 2018.

“Raccoglieremo i frutti scientifici nei prossimi 10-15 anni”, ha dichiarato Vieregg. “I neutrini sono interessanti perché puoi combinarli con altre osservazioni, come le normali osservazioni ottiche del telescopio o le osservazioni delle onde gravitazionali. Mettili insieme e possiamo imparare ancora di più su cosa sta succedendo in l’universo. “

source–>https://www.cnn.com/2020/05/27/world/neutrino-research-anita-scn-trnd/index.html

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