Toen natuurkundigen signalen detecteerden van energierijke neutrino’s uit een vrij onwaarschijnlijke richting in de kosmos, gingen ze natuurlijk op zoek naar een krachtige bron die dit zou kunnen verklaren.

Een intensief onderzoek naar de meest waarschijnlijke oorsprong van deze meer reactieve vormen van ‘spook’-deeltjes is nu met lege handen opgedoken en opent de weg voor meer exotische speculaties over wat er achter de vreemde signalen zou kunnen zitten.

Door zeven jaar gegevens van het IceCube-experiment dat op neutrino’s jaagt, wordt een groot team van onderzoekers over de hele wereld nu gedwongen om toe te geven dat conventionele verklaringen voor de ontdekking vrij zwak zijn.

Neutrino’s zijn elektronachtige leden van het standaardmodel van fundamentele deeltjes. In tegenstelling tot elektronen hebben ze waanzinnig kleine massa’s en geen lading.

Deze slanke neutraliteit betekent dat neutrino’s het niet erg vinden om te stoppen en te chatten met andere deeltjes. Atoombederf diep in de zon stuurt elke seconde torrents door de planeet, met slechts een fractie die dicht genoeg bij een atoom passeert om een ​​merkbare reactie te veroorzaken.

Om de zeldzame flits van een neutrino te vangen die in een bevroren watermolecule slaat, gebruikt het IceCube-observatorium lange rijen gevoelige lichtvangende apparatuur begraven onder Antarctisch ijs.

Al bijna tien jaar lang registreert het honderden flitsen per dag en bouwt een uitgebreide database met informatie over de richtingen en energieën van neutrino’s die over de aarde spoelen.

Maar het is niet het enige spel in de stad. Vanaf een hoogte van bijna 40 kilometer boven Antarctica, opgehangen aan een heliumballon, vangt NASA’s Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) hints van neutrino’s met belachelijk hoge energieën die op atomen in de atmosfeer slaan.

Het is nog steeds vroege dagen voor ANITA, maar al de eerste paar vluchten van de afgelopen jaren hebben met succes verschillende veelbetekenende flitsen van de energetische deeltjes opgemerkt. Vreemd genoeg zijn twee van de signalen niet afkomstig van de lege lucht boven, maar van de planeet zelf.

Voor een luie neutrino vers van de zon, zou dit niet zo verrassend zijn. Maar bij de soorten energieën die ANITA registreert, worden neutrino’s echte socialites, die in een veel hoger tempo met de atomen van onze planeet samensmelten en er maar weinig onaangeroerd laten.

“Er wordt vaak gezegd dat neutrino’s ‘ongrijpbare’ of ‘spookachtige’ deeltjes zijn vanwege hun opmerkelijke vermogen om door materiaal te gaan zonder ergens tegen aan te vallen”, zegt astrofysicus Alex Pizzuto van de Universiteit van Wisconsin-Madison in de VS.

“Maar bij deze ongelooflijke energieën zijn neutrino’s als stieren in een porseleinkast – ze hebben veel meer kans om te interageren met deeltjes in de aarde.”

Het vinden van een paar ‘bullish’ neutrino’s die de hele planeet doorkruisen, vereist een soort verklaring.

Natuurlijk kunnen het toevallige ontdekkingen zijn van ongelooflijk zeldzame voorbeelden. Zoveel geluk hebben is niet uitgesloten. Maar het is veel waarschijnlijker dat de gedetecteerde deeltjes de planeet hadden getroffen als onderdeel van een massale menigte.

Hoogenergetische neutrino’s worden meestal geboren in interacties tussen kosmische stralen en atoomkernen, voordat ze een harde duw krijgen door sterke magnetische velden diep in de kosmos.

Daarom hebben de onderzoekers statistieken opgesteld over hoeveel energierijke neutrino’s er nodig zijn om een ​​goede kans te hebben dat ANITA ze ziet, en hebben ze de gegevens van IceCube doorzocht om mogelijke gebeurtenissen te vinden die verantwoordelijk zouden kunnen zijn om ze in grote aantallen te maken.

“Dit proces maakt IceCube een opmerkelijk hulpmiddel om de ANITA-observaties op te volgen, omdat IceCube voor elke afwijkende gebeurtenis die ANITA detecteert, er nog veel meer had moeten detecteren”, zegt natuurkundige Anastasia Barbano van de Universiteit van Genève in Zwitserland.

“Dat hebben we in deze gevallen niet gedaan.”

Dus waar dan nu?

Ten eerste is het goed om te onthouden dat zelfs de meest goed gefinancierde, professionele experimenten vatbaar kunnen zijn voor fouten.

Minder dan tien jaar geleden was er opwinding over de mogelijkheid om neutrino’s sneller dan licht te vinden … een bevinding die uitvoerig werd getest, voordat werd vastgesteld dat het meer dan waarschijnlijk een vergissing was.

De nieuwe bevindingen zijn momenteel beschikbaar op de pre-print site arXiv.org, met een inzending onderweg naar The Astrophysical Journal, waar de resultaten meer aandacht krijgen van de wetenschappelijke gemeenschap.

Maar er zijn een paar verleidelijke mogelijkheden die we zelfs nu kunnen overwegen, en die zelfs verklaringen buiten de gevestigde fysica durven voorstellen.

“Onze analyse sloot de enige overgebleven standaardmodel-astrofysische verklaring van de abnormale ANITA-gebeurtenissen uit”, zegt Pizzuto.

“Dus nu, als deze gebeurtenissen echt zijn en niet alleen te wijten zijn aan eigenaardigheden in de detector, dan kunnen ze wijzen op fysica voorbij het standaardmodel.”

Een mogelijkheid is dat kosmische versnellers uitbarstingen van neutrino’s pompen op tijdschalen die te kort zijn voor wetenschappers om te vangen met de huidige technologie.

Als we echt wild willen worden, kunnen we zelfs een rol voor donkere materie overwegen, of nieuwe soorten deeltjes voorstellen die zich gedragen als energierijke neutrino’s, maar op andere manieren worden geproduceerd.

Er is veel ruimte voor vragen en onze zoektocht naar neutrino-geheimen staat nu nog in de kinderschoenen. Met zoveel te leren, wordt er veel hoop gevestigd op neutrino’s die inzicht bieden in grote mysteries die de weg kunnen banen naar nieuwe fysica.

IceCube en ANITA zullen ongetwijfeld uitkijken naar meer van deze raadselachtige hoog-energetische ‘spoken’, in de hoop de grenzen van de fysica te verleggen.

De voorlopige studie is beschikbaar op arXiv.org.

Bronnen:

Science Alert