Mô hình vật lý hạt tốt nhất của chúng ta đang bùng nổ tại các vỉa khi nó vật lộn để chứa đựng tất cả sự kỳ lạ trong vũ trụ. Bây giờ, dường như nó có thể bật hơn bao giờ hết, nhờ một loạt các sự kiện kỳ lạ ở Nam Cực
Cái chết của mô hình vật lý trị vì này, Mô hình chuẩn, đã được dự đoán trong nhiều thập kỷ. Có những gợi ý về các vấn đề của nó trong vật lý mà chúng ta đã có. Kết quả kỳ lạ từ các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy sự xuất hiện của các loài neutrino ma quái mới ngoài ba mô tả trong Mô hình Chuẩn. Và vũ trụ dường như chứa đầy vật chất tối mà không có hạt nào trong Mô hình Chuẩn có thể giải thích.
Nhưng bằng chứng trêu ngươi gần đây một ngày nào đó có thể gắn kết các chuỗi dữ liệu mơ hồ đó lại với nhau: Ba lần kể từ năm 2016, các hạt năng lượng cực cao đã nổ tung trên băng ở Nam Cực, thiết lập các máy dò trong thí nghiệm Antient Transient Antient Transient Antient (ANITA), một cỗ máy lơ lửng từ khinh khí cầu của NASA ở phía trên bề mặt đóng băng.
Như Live Science đã báo cáo vào năm 2018, những sự kiện đó - cùng với một số hạt bổ sung được phát hiện sau đó tại đài quan sát neutrino neutrino ở Nam Cực bị chôn vùi - không khớp với hành vi dự kiến của bất kỳ hạt Mô hình Chuẩn nào. Các hạt trông giống như neutrino năng lượng cực cao. Nhưng neutrino năng lượng cực cao không nên đi qua Trái đất. Điều đó cho thấy rằng một số loại hạt khác - một loại chưa từng thấy trước đây - đang tự bay lên bầu trời phía nam lạnh lẽo.
Bây giờ, trong một bài báo mới, một nhóm các nhà vật lý làm việc trên IceCube đã nghi ngờ nặng nề về một trong những giải thích Mô hình Chuẩn cuối cùng còn lại cho các hạt này: máy gia tốc vũ trụ, súng neutrino khổng lồ ẩn trong không gian sẽ bắn đạn neutrino cực mạnh vào Trái đất. Một bộ sưu tập súng neutrino siêu hoạt động ở đâu đó trên bầu trời phía bắc của chúng ta có thể đã thổi đủ lượng neutrino vào Trái đất để chúng ta phát hiện các hạt bắn ra từ mũi phía nam của hành tinh chúng ta. Nhưng các nhà nghiên cứu IceCube đã không tìm thấy bất kỳ bằng chứng nào về bộ sưu tập ngoài đó, điều này cho thấy cần phải có vật lý mới để giải thích các hạt bí ẩn.
Để hiểu lý do tại sao, điều quan trọng là phải biết tại sao các hạt bí ẩn này lại gây khó chịu cho Mô hình Chuẩn.
Neutrino là những hạt mờ nhất mà chúng ta biết; chúng rất khó phát hiện và gần như không có khối lượng. Chúng xuyên qua hành tinh của chúng ta mọi lúc - chủ yếu đến từ mặt trời và hiếm khi, nếu có, va chạm với các proton, neutron và electron tạo nên cơ thể chúng ta và bụi bẩn dưới chân chúng ta.
Nhưng neutrino năng lượng cực cao từ không gian sâu khác với anh em họ năng lượng thấp. Hiếm hơn nhiều so với neutrino năng lượng thấp, chúng có "mặt cắt ngang" rộng hơn, nghĩa là chúng có khả năng va chạm với các hạt khác khi chúng đi qua chúng. Tỷ lệ của một neutrino năng lượng cực cao làm cho nó hoàn toàn xuyên qua Trái đất nguyên vẹn thấp đến mức bạn không bao giờ có thể phát hiện ra nó đang xảy ra. Đó là lý do tại sao các phát hiện của ANITA rất đáng ngạc nhiên: Cứ như thể công cụ đã trúng xổ số hai lần, và sau đó IceCube đã giành được nó thêm một vài lần ngay khi bắt đầu mua vé.
Và các nhà vật lý biết họ phải làm việc với bao nhiêu vé số. Nhiều neutrino vũ trụ năng lượng cực cao đến từ sự tương tác của các tia vũ trụ với nền vi sóng vũ trụ (CMB), hậu quả mờ nhạt của Vụ nổ lớn. Thỉnh thoảng, những tia vũ trụ đó tương tác với CMB theo đúng cách để bắn các hạt năng lượng cao vào Trái đất. Đây được gọi là "thông lượng", và nó giống nhau trên khắp bầu trời. Cả ANITA và IceCube đều đã đo được dòng neutrino vũ trụ trông như thế nào đối với từng cảm biến của chúng và nó không tạo ra đủ neutrino năng lượng cao mà bạn mong đợi để phát hiện ra neutrino bay ra khỏi Trái đất dù chỉ một lần .
"Nếu các sự kiện được phát hiện bởi ANITA thuộc về thành phần neutrino khuếch tán này, thì ANITA nên đo nhiều sự kiện khác ở các góc độ cao khác", Anastasia Barbano, nhà vật lý của Đại học Geneva, người làm việc trên IceCube, nói.
Nhưng về lý thuyết, có thể có những nguồn neutrino năng lượng cực cao vượt ra ngoài bầu trời, Barbano nói với Live Science: những khẩu súng neutrino hay máy gia tốc vũ trụ.
"Nếu đó không phải là vấn đề của neutrino được tạo ra bởi sự tương tác của các tia vũ trụ năng lượng cực cao với CMB, thì các sự kiện quan sát được có thể là neutrino được tạo ra bởi các máy gia tốc vũ trụ riêng lẻ trong một khoảng thời gian nhất định" hoặc một nguồn không xác định nào đó trên Trái đất, Barbano nói.
Blazar, hạt nhân thiên hà hoạt động, vụ nổ tia gamma, thiên hà ngôi sao, sự hợp nhất thiên hà và sao neutron từ hóa và quay nhanh đều là những ứng cử viên tốt cho những loại máy gia tốc này, cô nói. Và chúng ta biết rằng máy gia tốc neutrino vũ trụ tồn tại trong không gian; vào năm 2018, IceCube đã theo dõi một neutrino năng lượng cao trở lại blazar, một luồng hạt cực mạnh đến từ một lỗ đen hoạt động ở trung tâm của một thiên hà xa xôi.
ANA chỉ nhặt được các neutrino năng lượng cực cao nhất, Barbano nói, và nếu các hạt bay lên là các neutrino được gia tốc vũ trụ từ Mô hình Chuẩn - rất có thể là neutrino tau - thì chùm tia đó sẽ đi kèm với một cơn mưa thấp hơn các hạt năng lượng sẽ tăng gấp ba lần các máy dò năng lượng thấp hơn của IceCube.
"Chúng tôi đã tìm kiếm các sự kiện trong bảy năm dữ liệu IceCube," Barbano nói - các sự kiện phù hợp với góc và độ dài của các phát hiện ANITA, mà bạn mong muốn tìm thấy nếu có một lượng lớn súng neutrino vũ trụ ngoài kia đang bắn vào Trái đất để tạo ra các hạt đi lên này. Nhưng không ai bật lên.
Kết quả của họ không loại bỏ hoàn toàn khả năng nguồn tăng tốc ngoài kia. Nhưng họ "hạn chế nghiêm trọng" phạm vi khả năng, loại bỏ tất cả các kịch bản hợp lý nhất liên quan đến máy gia tốc vũ trụ và nhiều tình huống ít hợp lý hơn.
"Thông điệp mà chúng tôi muốn truyền tải tới công chúng là một lời giải thích vật lý thiên văn Mô hình Chuẩn không hoạt động cho dù bạn cắt nó như thế nào," Barbano nói.
Các nhà nghiên cứu không biết những gì tiếp theo. Cả ANITA và IceCube đều không phải là máy dò lý tưởng cho các tìm kiếm tiếp theo cần thiết, Barbano nói, để lại cho các nhà nghiên cứu rất ít dữ liệu để dựa vào giả định của họ về các hạt bí ẩn này. Nó giống như cố gắng tìm ra bức tranh trên một trò chơi ghép hình khổng lồ chỉ từ một số mảnh nhỏ.
Ngay bây giờ, nhiều khả năng có vẻ phù hợp với dữ liệu hạn chế, bao gồm một loài neutrino "vô trùng" thứ tư bên ngoài Mô hình Chuẩn và một loạt các loại vật chất tối được lý thuyết hóa. Bất kỳ giải thích nào trong số này sẽ là một cuộc cách mạng.hjh Nhưng không có giải thích nào được ủng hộ mạnh mẽ.
"Chúng ta phải chờ thế hệ máy dò neutrino tiếp theo," Barbano nói.
