RW Space

Человечество дошло до того, что мы можем обнаружить одну частицу высокой энергии из космоса и задаться вопросом, откуда в природе она взялась.

Миллиарды людей, вероятно, вообще не заботятся о таких вещах, но для тех, кто от природы любопытен и у кого есть время удовлетворить свое любопытство, чрезвычайно энергичное нейтрино, обнаруженное в 2023 году, стало выдающимся событием и может даже оказаться историческим.

Кубический километр Нейтринный телескоп, или KM3NeT, обнаружил чрезвычайно энергичное нейтрино на дне Средиземного моря. При энергии 220 ПэВ эта частица была более энергичной, чем что-либо, созданное в нашем самом мощном ускорителе частиц, Большом адроном коллайдере.

Солнце испускает непрерывный поток нейтрино, называемых солнечными нейтрино, но они не очень энергичны.

KM3-230213A, название, данное нейтрино с энергией 100 ПэВ, затмевает выход нейтрино Солнца. Это событие было в миллиард раз более энергичным, чем обычное солнечное нейтрино.

Не существует длинного списка астрофизических явлений, которые потенциально могли бы вызвать появление такого нейтрино. Фактически, ни один в настоящее время хорошо изученный объект или процесс не может объяснить это.

Объяснения включают оптические переходные процессы, вызванные пульсарами, гамма-всплески, распад темной материи, активные ядра галактик, слияния черных дыр, а также несколько объяснений, основанных на различных типах первичных черных дыр.

Новое исследование в Physical Review Letters предлагает еще одно объяснение, и оно основано на первичной черной дыре. дырки тоже. Исследование называется «Объяснение потоков нейтрино ПэВ в KM3NeT и IceCube с помощью квазиэкстремальных первичных черных дыр», а ведущий автор — Майкл Бейкер. Бейкер — доцент кафедры физики Массачусетского университета в Амхерсте.

«В ходе эксперимента KM3NeT недавно наблюдалось нейтрино с энергией около 100 ПэВ, а IceCube обнаружил пять нейтрино с энергией выше 1 ПэВ», — пишут авторы. «Хотя не существует известных астрофизических источников, взрывы первичных черных дыр могли произвести эти высокоэнергетические нейтрино».

Первичные черные дыры (ПЧД) являются полностью гипотетическими. Теория гласит, что в отличие от черных дыр звездной массы, ПЧД не нужна массивная звезда, чтобы взорваться и коллапсировать, чтобы образоваться. Вместо этого они образовались сразу после Большого взрыва из плотных сгустков субатомной материи, когда физика, лежащая в основе Вселенной, сильно отличалась.

ЧД намного меньше черных дыр звездной массы, но они по-прежнему невероятно плотны, и к ним все еще применима старая поговорка о том, что «ничто, даже свет, не может покинуть черную дыру». Но у ПЧД есть еще кое-что общее со своими собратьями: излучение Хокинга.

Стивен Хокинг разработал идею радиации Хокинга (HR). В нем говорится, что со временем HR уменьшает массу черной дыры и что в конечном итоге черная дыра испарится, если не аккумулирует больше материи.

К сожалению, HR обычно настолько слаб, что он значительно ниже порога обнаружения даже наших самых мощных телескопов. Хотя вокруг черных дыр звездной массы это невозможно обнаружить, ситуация может быть иной, когда речь идет о гораздо более легких ЧДД.

«Чем легче черная дыра, тем горячее она должна быть и тем больше частиц она будет испускать», — сказала в пресс-релизе соавтор Андреа Тамм, доцент кафедры физики Массачусетского университета в Амхерсте.

«По мере испарения ЧДД они становятся все легче и горячее, испуская еще больше радиации в это неконтролируемый процесс до взрыва. Это излучение Хокинга, которое могут обнаружить наши телескопы».

По мере того, как ПЧД испаряются в результате неконтролируемого HR, они в конечном итоге испытывают последний всплеск. В последнюю секунду они становятся чрезвычайно горячими и подвергаются взрывному испарению. Этот заключительный акт может привести к образованию нейтрино высокой энергии, таких как KM3-230213A.

Исследователи полагают, что это может происходить примерно каждые десять лет, и что взрывы могут произвести рог изобилия субатомных частиц. Не только те, о которых мы знаем, такие как электроны и кварки, но и те, о которых в настоящее время только предполагаются, и другие, которые могут быть совершенно неизвестными.

Исследовательская группа считает, что KM3-230213A может быть свидетельством испарения PBH. Но есть одна проблема. Нейтринная обсерватория IceCube не обнаружила это событие и фактически никогда не обнаруживала ни одного нейтрино, близкого по энергии к KM3-230213A.

Если взрыв испарения ПЧД происходит каждое десятилетие, разве IceCube не должен был обнаружить хотя бы один? IceCube ведет наблюдения уже 20 лет.

Исследователи говорят, что здесь может быть задействован необычный тип ПЧД.

«Мы считаем, что ПЧД с «темным зарядом» (то, что мы называем квазиэкстремальными ПЧД) — это недостающее звено», — говорит Хоаким Игуас Хуан, постдокторант по физике из Массачусетского университета в Амхерсте и один из соавторов статьи.

исследователи говорят, что ПЧД с темным зарядом, который по сути представляет собой очень тяжелую гипотетически версию электрона – «темный электрон», – проводят большую часть своего времени в квазиэкстремальном состоянии. В этом состоянии PBH находится почти на максимально возможном отношении заряда к массе.

По теме: Рекордное нейтрино из глубокого космоса, замеченное подводным телескопом

IceCube и KM3NeT настроены на разные энергии. IceCube имеет ограничение в 10 ПэВ, и это может объяснить, почему он так и не обнаружил KM3-230213A.

По мнению Бейкера, дополнительная сложность темного заряда PBH делает их объяснение более правдоподобным.

«Наша модель темного заряда более сложна, а это означает, что она может обеспечить более точную модель реальности», — говорит Бейкер. «Что так здорово, так это видеть, что наша модель может объяснить это необъяснимое явление».

Эта статья была первоначально опубликована в журнале Universe Today. Прочтите оригинал статьи.