標準モデルと呼ばれるものについて、素粒子物理学の基礎理論は非標準データの長いリストに直面しています。ニュートリノ振動、暗黒物質とエネルギー、物質と反物質間の不均衡、量子重力など、適合しないと思われる自然現象のリストが増え続けています。
今なら、新たなエントリーがあるかもしれません。 2 年前、南極の氷の上空に浮かんでニュートリノを探す気球で生まれた実験で、異常な現象が見られました。 5000 キロメートルの岩を通過したことを示唆する角度で地球の外に出ました。粒子は、標準モデルがその種の不注意な物質の無視を禁止するのに十分高いエネルギーを持っていました.
このデータは一連の推測を引き起こしました。地球内部の暗黒物質の崩壊や新しい形態のニュートリノなど、標準モデルを超えた新しい物理学を表すものもありました。他のものはよりありふれたものでした:たとえば、信号は、通常の下向きのニュートリノを上向きに移動しているように見せる、考慮されていない物理学から生じた可能性があります。
その後、2 週間前、ペンシルバニア州立大学の物理学者チームは、2 つの ANITA 検出に加えて、これも南極の IceCube と呼ばれるまったく別の実験での 3 つの異常なニュートリノ検出はすべて、一連の粒子衝突によって説明できると指摘しました。そして、スタウが関与する崩壊。
スタウは、超対称性によって提案された仮説上の、決して検出されない粒子です。超対称性によれば、電子やタウ粒子などのすべてのフェルミオン粒子は、異なるスピンを持つパートナーを持っています (スピンは素粒子の量子力学的特性です)。これらのスーパーパートナーは、便宜上、通常の (スーパーではない) 双子の名前を持ちますが、前に「s」が付きます。電子のスーパーパートナーはセレクトロンです。タウのスーパーパートナーはスタウです。
超対称性が証明されれば、暗黒物質を含む物理学の多くの未解決の問題を解決できる可能性があります。 Penn のチームは、標準モデルがデータを説明できる可能性を計算しました — それは小さいです — そして、現在標準ミューオン粒子トラックとして解釈されている 3 つの IceCube イベントは、実際にはタウとそのスーパーパートナーの結果であると主張しました.
先週、チームが発行したプレプリントの最初の著者である Derek Fox に会いました。
これらのイベントは、標準モデルにとってどの程度の問題ですか?
2 つの ANITA イベントは、標準モデルと明らかに矛盾しています。これらのイベントでは、標準モデルは機能しません。あなたはそれをすることはできません。 1 兆分の 2 の割合で除外されています。標準モデルの説明が存在するため、3 つの IceCube イベントはよりあいまいになります。結論として、IceCube のイベントが標準モデルから逸脱しているという信頼度は 91% です。それは高いレベルの信頼ではありません。状況によっては、それを公開することさえありません。文脈上非常に興味深いと思うので、私たちはそれを私たちの論文に含めただけです.
どのようにして異常なイベントが発生したと思いますか?
それは非常にクレイジーな一連のイベントです。天体発生源からの超高エネルギーニュートリノが地球に衝突し、気づかないうちに大気中を通り抜けます。地球の内部では、数百キロしか進まず、相互作用して、標準モデルを超えた粒子のペアを作ります。スタウと呼ばれるペアの 1 つの粒子は、崩壊する前にさらに数千キロメートル地球を移動します。
スタウはどのようにして腐敗する前に地球の大部分を移動できるのでしょうか?
スタウは、タウの超対称パートナーです。これは、既知の標準モデル粒子であるタウ レプトン (タウとも呼ばれます) と、暗黒物質の候補である最小質量の超対称粒子に崩壊します。しかし、暗黒物質の候補は非常に弱く相互作用しています。したがって、この粒子に対するスタウの減衰率とタウの減衰率は比較的低くなります。この質量では、どの標準モデルの粒子よりもはるかに長く生きます。まるで地球を走る大型トラックのようです。
スタウが衰退した後はどうなりますか?
それが生成する暗黒物質の候補粒子は、すべての意図と目的のために検出できないため、逃げます。それが生成するタウは、タウ ニュートリノに崩壊する前におそらく 100 キロメートルほど移動することができ、それはさらに 200 キロメートル移動する可能性があります。タウ ニュートリノが崩壊すると、一種の再生プロセスでタウが再び作られます。最終的に、運が良ければ、タウニュートリノによってタウが地球の表面に十分近くなり、タウ自体が崩壊する前に逃げることができます。大気中に逃げて崩壊すると、アニタが見たような空気のシャワーができます。
暗黒物質粒子が崩壊しないのはなぜですか?
超対称モデルでは、最小質量の超対称粒子は何十億年もの間安定しています。それは、新しい対称性と新しい保存原理が付属しているためです。暗黒物質粒子が単独で崩壊する場合、その保存原理に違反します。それは電子の崩壊のようなものです。電子は最小の荷電粒子であるため、ありがたいことに崩壊しません。電子が崩壊した場合、私たちがここにいる可能性を想像してみてください。
あなたが提案しているシーケンスは偶然の一致のようです。これを確認するには、数字が正確に一致している必要があります。
クレイジーな宇宙の偶然が起こっているというあなたの意見に、私は完全に同意します。この粒子の特性に加えて、地球に衝突する高エネルギー ニュートリノの拡散フラックスの特性は、それを実現するために正しくなければなりません。そして、地球は一定の大きさを持ち、一定の濃度で一定の透明度を持つ大気を持たなければなりません。少しクレイジーです。ようやくこのシナリオに感謝するようになったとき、私はこれについて考えていました。それは今、地球上で起こっています。これらの狂気の高エネルギーニュートリノは地殻で相互作用し、これらの狂気の超対称粒子を作り、それは地球を通り抜け、崩壊の連鎖を経て、宇宙線のシャワーを上向きに作り出し、小さなローマのろうそくのように飛び出します.そしてそれは何十億年もの間、人類の歴史全体にわたって起こってきました。恐竜がここにいて、惑星の表面からこれらのクレイジーな宇宙線シャワーが噴出していました.
ANITA が見ている上向きのにわか雨に加えて、IceCube でもタウスが検出されるとあなたは主張します。どうやって？
タウが地球の表面近くにあり、IceCube 検出器の氷を通り抜ける場合、IceCube 検出器にトラック タイプのシグネチャが残ります。 IceCube データ内の非常に高エネルギーのトラックのいくつかについての最も簡単な説明は、超高エネルギーのタウ粒子であると断言します。
IceCube イベントをどのように検索しましたか?
IceCube コラボレーションは、200 TeV のカットオフ エネルギーを超えるイベントのカタログを公開することを決定しました。このカタログには 36 のイベントが含まれています。幸いなことに、これらは隠れた SEECR (Sub-EeV Earth-emergent Cosmic Rays) と呼んでいるものを特定するために、私たちが本当に関心を持っているイベントです。これが私たちが使用したデータであり、3 つの非常に優れたタウ候補があると思います。 IceCube が持つデータをさらに詳細に分析できる可能性があります。タウはミューオンよりも 17 倍も質量が大きく [編集者:3 つの候補トラックが現在起因している]、検出器の光沈着のパターンに何らかの影響を与える必要があると私は考えています。しかし、私はそれを証明することはできません。分析の準備ができていません。どうすればよいか、いくつかアイデアがあります。
IceCube がこれらのトラックをタウ粒子からのものとして認識しなかったのはなぜですか?
IceCube は氷の中の光検出器のセットです。高度に相対論的な荷電粒子が氷を通過するとき、この種の電磁気ソニック ブームの青いチェレンコフ光を吐き出します。それが IceCube が検出するものです。これらすべての光子検出を使用して、その科学者は粒子の角度と軌道を再構築します。しかし、光の測定は、粒子の質量やそのエネルギーを教えてくれるわけではありません.これは、エネルギーを質量で割ったローレンツ係数を示しています。したがって、それがミューオンであることがわかっていれば、質量がわかればエネルギーがわかります。しかし、あなたが間違っていて、それが実際にタウである場合、タウはミューオンの 17 倍の質量があるため、エネルギー推定値は 17 倍低すぎます。タウが 1 つまたは 2 つすり抜けたとしたら、どのようにしてわかりますか?答えは、具体的に探しに行かない限り、そうではないということです。親指が突き出ているような痛みはありません。
IceCube でカモフラージュされたタウ トラックを最初に疑ったのはあなたですか?
私たちは最初ではありませんでした。私がこれについて他のどの論文よりも信頼しているのは、Kistler と Laha による論文です。発行年は2018年ですが、実は昨年arXivに出ていたので、彼の時点で約1年半前です。彼らはこの特定のイベント、IceCube 140611 を特定しました。彼らは、それがミュオンだと考えるなら、イベントの特性は本当に奇妙であると言いました.タウとして扱う場合、それははるかに高いエネルギーにあり、したがって. IceCube が遭遇する可能性ははるかに低い種類のニュートリノです。実際に私たちが行ったことは、いくつかの具体的な数字を書き留めることです。彼らは、そのイベントの統計的な可能性について根拠を示すことは決してありませんでした。また、さらに 2 つの候補イベントを特定しました。
超対称性の新しい証拠が見られるとしたら、それは物理学にとって何を意味するのでしょうか?
標準モデルをすべての既知の粒子とそれらの粒子の相互作用を反映するラグランジュと考えると、超対称理論で行うように、ラグランジュの項が 2 倍になる可能性は、宇宙のイメージにかなり劇的な変化をもたらします。 .超対称性の大きな魅力の 1 つは、最小質量の超対称性パートナー粒子で暗黒物質の実際の候補を提供してくれることです。
これがすべてハードウェア エラーの場合はどうなりますか?
それは不可能です。必要に応じて ANITA の人々と話すこともできますが、これらのイベントは複数の無線アンテナを備えた複数のフライトで検出されます。アンテナ全体および周波数全体の特徴的なシグネチャは、エアシャワーの解釈と一致しています。この時点で、ハードウェアの不具合をはるかに超えています。
ANITAチームはどのような別の説明を検討していますか?
ここでお茶の葉を読んでいるようなものですが、彼らは下降中の宇宙線シャワーが途中で二重バウンスを実行し、氷にぶつかって施設に戻ってくる可能性があるのではないかと心配しているかもしれません.これは直接観察を模倣します。しかし、率直に言って、これが起こる可能性は非常に低いと思います.
大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) がこの粒子を検出しなかったのはなぜですか?
LHC での Atlas と CMS の実験では、LHC がオンになって以来、スタウを含むスレプトン粒子を探してきました。彼らはまだそれを見つけていませんが、時間の経過とともにスタウに向かう下限質量を押し上げてきました。まだ十分なデータがありません。
スタウの可能な質量の範囲は?
超対称パートナー粒子質量のスケールが 1,000 GeV を超えると、超対称性は基本的に壊れます。そして、これまでの LHC 検索で現れたであろうイベントを生成することを避けるために、たとえば 400 GeV よりも大きな質量が必要です。
論文でモンテカルロ シミュレーションを使用した理由は何ですか?
私たちが使用したモンテカルロ ソフトウェアをまとめてくれた Alvarez-Muniz チームに非常に感謝しています。物理学者が言うように、地球は均一な密度の単一の均一な球体ではありません.向こう側では、モンテカルロ実現が進むべき道です。ソフトウェアはニュートリノからニュートリノへと移動し、地球全体を追跡します。主に再生プロセスのため、鉛筆と紙の能力を超えています。
このような革新的なデータの解釈を支援することについてどう思いますか?
私ほど驚いた人はいないと思います。しかし、それはこのように私の膝に落ちました。約 1 か月前に、パズルのすべてのピースがうまく組み合わされていることに気づいて以来、私はその機会に立ち向かおうとしてきました。真剣に取り組み、あらゆる角度から検討しようとしています。おそらく否定的または反論的な側面、物事がうまくいかない方法、将来の研究の最も有望な道、最優先事項などです。実現から arXiv への提出まで 29 日間という、まさにスプリントでした。
これは科学にとって驚異的なスピードです。
それは猛烈です。それは実際には少し適切すぎます。私は少しぼろぼろになっていました.
マイケル・シーガルは ノーチラスの編集長。
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