22 februari 2020

IceCube: bijzondere ANITA neutrinowaarneming kan niet met Standaard Model verklaard worden

Een impressie van IceCube en wat er onder het ijs gebeurt. Credit: Icecube/NSF

Met het IceCube Neutrino Observatorium – maar liefst 5.160 optische detectoren in een kubieke kilometer ijs op de Zuidpool – hebben ze uitgesloten dat ‘ANITA’s anomalous neutrino events’ verklaard kunnen worden met behulp van het Standaard Model van de elementaire deeltjes en natuurkrachten. ANITA is een andere neutrinodetector, die ook op de Zuidpool actief is, alleen dan vanuit de lucht. Het ANITA (the ANtarctic Impulsive Transient Antenna) experiment is een ballon, die uitgerust is met radioapparatuur. Als neutrino’s vanuit het heelal met zeer veel energie bij de aarde aankomen kunnen ze botsen met atomen in het zuidpoolijs en dan wordt radiostraling geproduceerd.

De ANITA antenne na een succesvolle vlucht. Credit: Australian Antarctic Division

Met ANITA werden tot mei 2016 twee bijzondere waarnemingen gedaan, twee anomalous neutrino events – zie deze Astroblog daarover. Het instrument nam de radiostraling van botsende energierijke neutrino’s waar. Op zich niets vreemd, behalve dan dat de bron van beneden kwam, van onderen, vanuit de aarde en niet vanuit de ruimte! Het ging om zeer energierijke deeltjes, in de orde van ongeveer 0,06 EeV, de ‘E’ staat voor exa, dat is 10^18, een miljoen keer zo veel energie als een TeV, tera elektronvolt. Ter vergelijking: de protonen die in de Large Hadron Collider met bijna de lichtsnelheid tegen elkaar knallen hebben een energie van 7 TeV. Dat die deeltjes van onderen kwamen, vanuit de richting dus van de aarde en niet van bovenaf, betekend dat de deeltjes dwars door de aarde moeten zijn gevlogen. Voor neutrino’s is dat geen enkel probleem, maar dat geldt alleen voor lage energie-neutrino’s. Voor ‘ultra-high-energy’ (UHE) kosmische neutrino’s is dat wél een probleem, omdat hun energie boven de elektrozwakke schaal ligt (rond 240 GeV), de grens waarboven de elektrozwakke symmetrie zich herstelt en de neutrino’s wél reageren met gewone leptonen – iets wat ze onder die grens niet doen.

De paarse kromme geeft de grens aan van de niet door IceCube gedetecteerde neutrino’s. Bij die grens hoort een minimale flux, weergegeven door de paarse driehoek rechtsboven. Maar die ligt ver onder de flux die nodig is om de waarnemingen van ANITA te verklaren, weergegeven met de zwarte hexagoon, rechts bovenaan. Credit: IceCube Collaboration

Met IceCube zijn ze die waarnemingen (‘events’) gedaan met ANITA gaan onderzoeken. Zouden de neutrino’s niet uit één puntbron aan de hemel kunnen zijn gekomen, die de bron was van de energierijke neutrino’s, zoals een blazar, een quasar wiens straalstroom recht op de aarde is gericht? Als er zo’n bron zou zijn dan zou die héél veel van die UHE-neutrino’s kunnen produceren en als die dan massaal ‘van onderaf’ door de aarde zouden vliegen dan zouden enkele daarvan die tocht dwars door de aarde overleven en bij het ijs van de Zuidpool aankomen, waarna ANITA ze zou detecteren als ze botsen met een waterstof- of zuurstofatoom van het ijs aldaar. Dát zou dan een verklaring kunnen zijn. Vandaar dat Alex Pizzuto (University of Wisconsin–Madison) met zijn team met IceCube op zoek ging naar die puntbron. Want als die er is dan zou IceCube daar toch ook neutrino’s van hebben gezien. Ze doken daarom in de gegevens van de laatste acht jaar die met IceCube zijn verzameld om te kijken of ze signalen van zo’n puntbron tegenkwamen. Het resultaat (hierboven in de grafiek te zien): niente, nadah, nothing, geen enkele puntbron. Bij ANITA komt alleen radiostraling van de meest energierijke neutrino’s, IceCube kan ook minder energierijke neutrino’s detecteren, maar die werden op momenten dat ANITA zijn bijzondere gebeurtenissen zag niet waargenomen. En dat betekent dat een astrofysische verklaring, zoals zo’n genoemde blazar (impressie daarvan zie je hieronder), uitgesloten wordt. Zo’n verklaring zou nog passen binnen het Standaard Model, dat de natuurkundigen en sterrenkundigen hanteren voor de werking van elementaire deeltjes en de natuurkrachten daartussen.

Een impressie van een blazar. Credit: DESY, Science Communication Lab

Er blijven nu nog maar twee mogelijke verklaringen over: de ene is simpelweg dat de waarneming gedaan met ANITA niet goed is geweest, dat er een instrumentele fout is gemaakt. De andere verklaring is dat er sprake is van Nieuwe Natuurkunde, natuurkunde voorbij het Standaard Model (Engels: BSM – Beyond SM).

Als BSM-verklaring heeft men al gedacht aan steriele neutrino’s, een hypothetische zware variant van de drie bekende ‘smaken’ neutrino’s, die nooit een interactie met andere deeltjes aangaat, behalve dan via de zeer zwakke zwaartekracht. Maar ook wordt gedacht aan een zogeheten stau slepton, een supersymmetrisch tau lepton, in de afbeelding hieronder zie je dat stau deeltje, τ met een golfje erboven.

Credit: CECs

Mocht het echt om zo’n BSM-deeltje gaan dan is het gelijk interessant voor de speurders naar donkere materie, want daar zouden beiden ook mee te maken kunnen hebben, de steriele neutrino’s als kandidaat-deeltje van DM en de stau sleptonen, omdat ze na een interactie in de aarde met een gewoon deeltje kunnen vervallen in een tau lepton én een LSP, een ‘lightest supersymmetric particle’, da’s een kandidaat-DM deeltje.

Hier het vakartikel over de IceCube waarnemingen aan de ANITA gebeurtenissen, welke zullen worden gepubliceerd in The Astrophysical Journal. Bron: IceCube.

Comments

  1. Hier nog wat kandidaten voor DM waarvoor er wel 4 nieuwe deeltjes noodzakelijk zijn om deze hypothese rond te krijgen. “Baryogenesis and Dark Matter from B Mesons” https://arxiv.org/pdf/1810.00880.pdf . Het duurt m.i. niet lang meer of “we” vinden het….gewoon omdat DM door Vera Rubin is aangetoond.

  2. Wybren de Jong zegt

    Er zijn zoveel menselijke radiobronnen op en rond de aarde, ook bij de zuidpool. Zou het door ANITA waargenomen radiosignaal niet van een radiozender, of van de ruis van duizenden radiozenders afkomstig kunnen zijn?

  3. Iets wat ik niet begrijp in de text: “….. en als die dan massaal van onderaf door de aarde zouden vliegen dan zouden enkele daarvan die tocht door de aarde overleven en bij het ijs van de Zuidpool aankomen, ….”
    Zit hier een typo in???

  4. Volgens mij wordt die energie berekend op basis van het feit dat het een neutrino zou moeten zijn (maar ik kan me vergissen). Maar als het nu eens een ander deeltje was dat door de isolatie van het ijs is gevlogen met een veel grotere massa… een WIMP of zo?

    • Wouter Visser zegt

      Een WIMP zou ook ‘nieuwe natuurkunde’ zijn, maar het deeltje kwam van onderen dus het is niet door het ijs maar door de hele aarde gevolgen.
      Van alle bekende deeltjes kunen normaal gesproken alleen neutrino’s dat.

      Hans, ik denk dat ze een halfwaardedikte uitrekenen voor neutrinos van die energie: dwz door hoeveel aarde de neutrinos kunnen reizen voordat de helft geabsorbeerd is. Dan kan je vervolgens uitrekenen hoe intens een neutrinobron moet zijn om hem aan de andere kant van de aarde nog te kunnen detecteren.

      • Wouter wat ik bedoel is dat het neutrino van onderaf komt, door de aarde gaat, en vervolgens aan de Zuidpool wordt gedetecteerd. (Zuidpool = van onderaf).

  5. Leuk! Zo’n artikel wat vragen bij me oproept waar ik geen antwoord op kan vinden. Deze bijvoorbeeld:
    Een neutrino is vrijwel massaloos, en beweegt zich met een snelheid die maximaal een fractie onder de lichtsnelheid ligt.
    Hoe kan een deeltje met die eigenschappen zo’n enorme energie hebben ?

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: