Encuentran una partícula en la Antártida que podría hacer temblar la física actual

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Los rayos cósmicos que emanan del casquete polar sur podrían llevar a una nueva física.

La Antena Transitoria Impulsiva Transitoria Antigua (ANITA), representada aquí justo antes de su lanzamiento en 2014, es un experimento de física que ha detectado misteriosas emisiones desde las profundidades del hielo antártico. Crédito: NASA y Balloon Program Office

Hay algo misterioso saliendo del suelo congelado de la Antártida que podría cambiar la física tal como la conocemos.

Los físicos no saben exactamente qué es. Pero saben que es una especie de rayo cósmico, una partícula de alta energía que explota en el espacio, en la Tierra y fuera de ella. Pero las partículas que los físicos conocen – la colección de partículas que conforman lo que los científicos llaman el modelo estándar (SM) de la física de partículas – no deberían ser capaces de hacerlo. Por supuesto, hay neutrinos de baja energía que pueden perforar millas y millas de roca sin alterar. Pero los neutrinos de alta energía, como otras partículas de alta energía, tienen “secciones transversales grandes”. Eso significa que casi con seguridad chocan contra algo justo después de saltar a la Tierra, nunca abandonaron el otro lado.

Sin embargo, desde marzo de 2016, los investigadores han estado desconcertados por dos eventos en la Antártida donde los rayos cósmicos han sido expulsados de la Tierra, y detectados por la antena impulsiva transitoria de la NASA (ANITA), una antena transportada por el globo que se desplaza hacia el continente sur.

ANITA fue diseñado para recibir rayos cósmicos del espacio exterior, por lo que la comunidad científica que estudia los neutrinos de alta energía se quedó sin emoción cuando el instrumento detectó partículas que parecían explotar desde la Tierra en lugar de alejarse del espacio. Dado que los rayos cósmicos no deberían actuar así, los científicos han empezado a preguntarse si estos misteriosos rayos no estaban hechos de partículas nunca antes vistas.

Desde entonces, los físicos han propuesto todo tipo de explicaciones para estos rayos cósmicos que van “hacia arriba”, desde neutrinos estériles (neutrinos que raramente entran en la materia) hasta “distribuciones atípicas de materia oscura dentro de la Tierra”, refiriéndose a la misteriosa forma de materia que no interactúa con la luz.

Todas las explicaciones fueron intrigantes y sugirieron que ANITA podía detectar una partícula no considerada en el Modelo Estándar. Pero ninguna de las explicaciones demostró de manera concluyente que algo más ordinario no podría haber causado la señal de ANITA.

Un nuevo documento subido hoy (26 de septiembre de.18) al servidor de preimpresión de arXiv lo cambia. En él, un equipo de astrofísicos de la Universidad de Penn State mostró que había varias partículas de alta energía que subían de las detectadas durante los dos eventos de ANITA. Tres veces, se ha escrito, IceCube (otro observatorio de neutrinos, el más grande de la Antártida) ha detectado partículas similares, aunque nadie había relacionado todavía esos eventos con el misterio de ANITA. Y, combinando los conjuntos de datos de IceCube y ANITA, los investigadores de Penn State han calculado que cualquier partícula que explote de la Tierra, tiene mucho menos de 1 en 3.5 millones de probabilidades de ser parte del Modelo Estándar. (En términos técnicos y estadísticos, sus resultados tuvieron confidencias de 5.8 y 7.0 sigma, dependiendo de cuál de sus cálculos se mire.

La física se rompe

Derek Fox, el autor principal del nuevo artículo, dijo que conoció los eventos de ANITA por primera vez en mayo de 2018, en uno de los primeros artículos en intentar explicarlos.

Era como, “Bueno, este modelo no tiene mucho sentido”, dijo Fox a Live Science, “pero el resultado [ANITA] es muy intrigante, así que empecé a comprobarlo. Empecé a hablar con mi vecino Steinn Sigurdsson [el segundo autor del periódico, que también está en Penn State], sobre el hecho de que quizás podríamos dibujar algunas explicaciones más plausibles de los documentos que se han publicado hasta la fecha.”

Fox Sigurdsson y sus compañeros han comenzado a buscar eventos similares en los datos recolectados de otros detectores. Cuando se encontraron con posibles eventos ascendentes en los datos de la IceCube, dijo, entonces se dio cuenta de que podría encontrarse con algo verdaderamente revolucionario para la física.

“Esto es lo que realmente me hizo avanzar, y mirar los acontecimientos de ANITA con la máxima seriedad”, dijo, añadiendo más tarde: “Para esto viven los físicos”. Romper modelos, establecer nuevas restricciones [sobre la realidad], aprender cosas nuevas sobre el universo que no conocíamos.”

Como se informó anteriormente en Live Science, la física experimental de partículas de alta energía se ha mantenido estable en los últimos años. Cuando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de 17.000 millones de dólares (27 km) en la frontera franco-suiza se completó en 2009, los científicos pensaron en descifrar los misterios de la supersimetría: la misteriosa clase teórica de partículas que los científicos sospechan que podrían existir fuera de la física actual, pero que nunca detectaron. Según la supersimetría (SM), cada partícula del modelo estándar tiene un socio supersimétrico. Los investigadores sospechan que estas parejas existen porque las masas de partículas conocidas están alteradas, no simétricas entre sí.

“Aunque la EM funciona muy bien para explicar una plétora de fenómenos, todavía tiene muchas desventajas”, dijo Seyda Ipek, una física de partículas de la Universidad de California en Irvine, que no ha estado involucrada en la investigación actual. “Por ejemplo, no puede explicar la existencia de la materia oscura, explicar la extrañeza matemática de las masas de neutrinos, o la asimetría materia-anti-materia del universo.”

En cambio, el LHC confirmó el bosón de Higgs, la última parte no detectada del modelo estándar, en 2012. Y luego dejó de detectar algo importante o interesante. Los investigadores han comenzado a preguntarse si algún experimento de física existente podría detectar alguna vez una partícula supersimétrica.

“Necesitamos nuevas ideas”, dijo Jessie Shelton, física teórica de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, a Live Science en mayo, al mismo tiempo que Fox se interesó por los datos de ANITA.

Ahora, varios científicos que no están involucrados en el documento de Penn State le han dicho a Live Science que ofrece una prueba sólida (aunque incompleta) de que algo nuevo ha llegado realmente.

“Estaba claro desde el principio que si los eventos anómalos de ANITA se debían a partículas que se habían propagado a través de miles de kilómetros de la Tierra, entonces lo más probable es que esas partículas no fueran partículas de la EM”, dijo Mauricio Bustamante, astrofísico del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague, que no era el autor del nuevo trabajo.

“El mapa que apareció hoy es el primer cálculo sistemático de lo poco probable que estos eventos se deban a los neutrinos de la EM”, agregó. “Su resultado desaprueba la explicación de la esclerosis múltiple.”

“Creo que es muy convincente”, dijo Bill Louis, un físico de neutrinos del Laboratorio Nacional de Los Álamos que no ha estado involucrado en el trabajo pero que ha estado siguiendo las investigaciones sobre los eventos de ANITA durante varios meses.

Si la partícula del modelo estándar creara estas anomalías, tendrían que ser neutrinos. Los investigadores saben que tanto por las partículas en las que han declinado, como porque ninguna otra partícula del modelo estándar ni siquiera tendría el fragmento de una en un millón de posibilidades de pasarla a través de la Tierra.

Pero los neutrinos de esta energía, dijo Louis, no deberían cruzar la Tierra con la frecuencia suficiente para ser detectados por ANITA o IceCube. No sabes cómo funcionan. Pero los detectores de neutrinos como ANITA y IceCube no detectan directamente los neutrinos. En cambio, detectan las partículas en las que los neutrinos se descomponen después de ser destruidos en la atmósfera terrestre o en el hielo antártico. Y hay otros eventos que pueden generar esas partículas, disparando los detectores. Este documento sugiere fuertemente que esos eventos deben haber sido supersimétricos, dijo Louis, aunque agregó que se necesitan más datos.

Fox y sus compañeros continuaron argumentando que es más probable que las partículas sean una especie de partícula supersimétrica teórica llamada “stau sleepons“. Los somníferos de Stau son versiones supersimétricas de una partícula del modelo estándar llamado tau lepton. La “S” significa “supersimétrica” (realmente).

Louis dijo que en esta etapa cree que el nivel de especificidad es “un poco demasiado largo”.

Los autores tienen un fuerte argumento estadístico de que ninguna partícula convencional podría viajar a través de la Tierra de esta manera, dijo, pero aún no hay suficientes datos para estar seguros. Y ciertamente no hay suficiente material para poder entender definitivamente cuál es la partícula que hizo el viaje.

Fox no impugnó eso.

“Como observador, no hay forma de que sepa que esto es un Stau”, dijo. “Desde mi punto de vista, voy a husmear por ahí tratando de descubrir cosas nuevas sobre el universo, me encuentro con un fenómeno realmente extraño, y luego con mis colegas hacemos una pequeña investigación en literatura para ver si alguien ha pensado alguna vez que esto podría suceder. Y luego, si encontramos artículos en la literatura, incluyendo uno de hace 14 años que predica algo como este fenómeno, esto realmente me lleva mucho tiempo.”

Él y sus compañeros encontraron una larga lista de artículos de los teóricos que predicen que los sonámbulos podrían ser presentados así en los Observatorios de Neutrinos. Y como estos documentos fueron escritos antes de la anomalía de ANITA, dijo Fox, esto le sugiere fuertemente que esos teóricos estaban en la pista de algo.

Pero todavía hay muchas incertidumbres en este frente, dijo. En este momento, los investigadores sólo saben que sea lo que sea esta partícula, interactúa muy débilmente con otras partículas, de lo contrario nunca habría sobrevivido el viaje a través de la densa masa del planeta.

Todos los físicos que hablaron con Live Science estuvieron de acuerdo en que los investigadores deberían recopilar más datos para verificar que ANITA y IceCube han descifrado la supersimetría. Es posible, dijo Fox, que cuando los investigadores de IceCube escarben en sus archivos de datos, encuentren otros eventos similares que antes habían pasado desapercibidos. Louis y Bustamante han declarado que la NASA debería realizar más vuelos con ANITA para ver si se repiten partículas similares hacia arriba.

“Para asegurarnos de que estos eventos se deben a fenómenos desconocidos -por ejemplo, las propiedades no cartografiadas de los hielos antárticos- nos gustaría que otros instrumentos también detectaran este tipo de eventos”, dijo Bustamante.

A largo plazo, si se confirman estos resultados y los detalles de lo que las partículas están causando, varios investigadores han afirmado que la anomalía de ANITA podría desbloquear una nueva física mayor y más grande que el LHC.

“Cualquier observación de una partícula no MS sería un punto de inflexión, porque nos dirá qué camino debemos tomar después de la EM”, dijo Ipek. “El tipo de partícula [supersimétrica] que dice haber producido señales, leptón, es muy difícil de producir y detectar en el LHC.”

“Por lo tanto, es muy interesante si pueden ser observados por otros tipos de experimentos. Por supuesto, si esto es cierto, entonces esperamos que el LHC observe una escala de otras partículas [supersimétricas], lo que sería una prueba complementaria de las afirmaciones anteriores.”

En otras palabras, las anomalías de ANITA podrían proporcionar a los científicos la información clave que necesitan para ajustar correctamente el LHC y desbloquear más supersimetría. Estos experimentos podrían incluso proporcionar una explicación para la materia oscura.

En este momento, dijo Fox, sólo estoy hambriento de más datos.

Fuente | SaDefenza