Luchtballon boven Antarctica meet mogelijk sporen van supersymmetrisch deeltje

Een luchtballon boven Antarctica heeft mogelijk sporen gemeten van een deeltje buiten het standaardmodel van de natuurkunde. Volgens de fysici die de signalen onderzochten, wijst dat op het bestaan van het supersymmetrische stau-deeltje. Andere fysici zijn terughoudend.

37 kilometer boven de Zuidpool vliegt de Antarctic Impulsive Transient Antenna, kortweg ANITA. Deze NASA-detector bestaat uit een bundel antennes die vastzit aan een enorme luchtballon.

ANITA vliegt herhaaldelijk een maand lang zo’n 37 kilometer boven Antarctica, op zoek naar deeltjessporen. Beeld: NASA

ANITA zoekt naar straling uitgezonden door deeltjes die uit het poolijs tevoorschijn komen. Het gaat dan bijvoorbeeld om tau-deeltjes: deeltjes die lijken op elektronen, maar dan wat zwaarder. Zulke deeltjes komen tevoorschijn wanneer neutrino’s vanuit de ruimte op aarde terechtkomen en daar reageren met het ijs.

Daarnaast meet ANITA kosmische straling: hoogenergetische straling die uit de ruimte komt.

Steile hoeken

In 2006 en 2014 mat de detector een vorm van straling die anders was dan deze beide typen. Die straling kwam van onderaf en bereikte de antennes onder behoorlijk steile hoeken. Toen de signalen de aarde verlieten, maakten ze een hoek met het oppervlak van respectievelijk 27 en 35 graden.

Normaal gesproken bereiken alleen kosmische stralen die door het ijs zijn weerkaatst de luchtballon onder zulke hoeken. Van dergelijke stralen is doorgaans echter de polariteit, oftewel de oriëntatie, omgekeerd. De gemeten signalen hadden geen omgekeerde polariteit, dus konden ze niet van het ijs komen.

1 op 170 miljoen

Fysici van de Pennsylvania State University in de VS hebben de mysterieuze signalen onderzocht om te achterhalen of het tekenen zijn van een nieuw deeltje. Dat zou dan een deeltje zijn buiten het standaardmodel, momenteel onze beste beschrijving van alle deeltjes en krachten in het heelal.

ANITA bestaat uit een bundel antennes die vastzit aan een enorme luchtballon. Beeld: NASA

De fysici wilden eerst uitsluiten dat de signalen zijn veroorzaakt door een samenspel tussen tau-deeltjes en neutrino’s, allebei deeltjes uit het standaardmodel. Ze voerden simulaties uit van een miljard neutrino’s die door de aarde heen vliegen.

De kans dat ANITA onder zo’n steile hoek een tau-deeltje meet dat door zulke neutrino’s is opgewekt, bleek uitermate klein. De fysici sloten dat scenario uit met een zekerheid van 5,8 sigma. Dat maakt de kans dat deze signalen worden waargenomen terwijl er niets ongewoons aan de hand is, ongeveer 1 op 170 miljoen. Over het algemeen beschouwen natuurkundigen alles boven de 5 sigma als een zekere ontdekking.

Voorbij het standaardmodel

De twee gemeten stralingsvormen hadden allebei een extreem hoge energie: respectievelijk 0,6 en 0,56 exaelektronvolt (een miljard keer een miljard elektronvolt, mocht je daar iets wijzer van worden). Ze hadden een flinke afstand door de aarde afgelegd: 5700 en 7200 kilometer. Het moeten dus deeltjes zijn geweest die dwars door een planeet kunnen vliegen zonder al te veel snelheid te verliezen.

‘Je zou misschien denken dat een neutrino met heel hoge aanvangsenergie genoeg snelheid overhoudt als die door de aarde vliegt’, zegt onderzoeksleider Derek Fox. ‘Maar daarvoor zit er te veel spul in de weg.’

Een hoogenergetisch tau-deeltje zou dat in theorie wel kunnen doen, maar slechts zo zelden dat je het volgens Fox eigenlijk nooit zou zien – en zeker niet twee keer in korte tijd. ‘Daarom is het nodig om voorbij het standaardmodel te kijken’, zegt hij. ‘Anders zijn de kenmerken van deze gebeurtenissen te onwaarschijnlijk.’

Bingo

Het standaardmodel beschrijft alle bekende deeltjes en krachten. Maar is het volledig?

De fysici suggereren dat het bestaan van een supersymmetrisch tau-deeltje, oftewel een stau-deeltje, de mysterieuze signalen kan verklaren. Supersymmetrie is een voorgestelde uitbreiding van het standaardmodel. Daarbij hebben alle fundamentele deeltjes een veel zwaardere tegenhanger.

Volgens Fox zijn er al theoretische modellen van supersymmetrie die het type signaal beschrijven dat ANITA heeft gemeten. Het stau-deeltje leeft in die modellen lang genoeg om door zo’n 6000 kilometer aarde te vliegen en uiteindelijk te vervallen in een tau-deeltje. ‘Bingo’, zegt Fox.

Geen speelruimte

‘Ons officiële standpunt is dat we niet weten waar de signalen uit zijn voortgekomen’, zegt Stephanie Wissel van de California Polytechnic State University, lid van het ANITA-samenwerkingsverband. ‘Naar mijn idee is de eenvoudigste verklaring dat het kosmische straling is.’

LEESTIP Leer de natuur tot op microniveau doorgronden in dit prachtboek van deeltjesfysicus Ivo van Vulpen. Bestel nu in onze webshop.

Als de voorgestelde stau-deeltjes bestaan, hadden andere detectoren ze volgens Wissel ook moeten aantreffen. Het IceCube Neutrino Observatory, eveneens in Antarctica, speurt bijvoorbeeld al sinds 2010 naar neutrino’s. Deze detector bevindt zich echter diep onder het ijs, zodat het niet de deeltjes in de lucht meet die ANITA wel opspoort.

Volgens fysicus Avi Loeb van de Harvard University is meer bewijs nodig om te bevestigen dat de potentiële deeltjes niet voortkomen uit een foutieve interpretatie van de metingen. Tot dusver noemt hij de resultaten wel overtuigend. ‘Het veelzijdige bewijs dat in dit werk wordt gepresenteerd, biedt geen speelruimte om de twee ANITA-metingen met de deeltjes uit het standaardmodel te verklaren’, aldus Loeb.

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees ook:

 

Over de auteur

Chelsea Whyte

Chelsea Whyte is een freelance wetenschapsjournalist uit Cambridge, Massachusetts (Verenigde Staten).



Plaats een reactie