В Антарктике обнаружены «частицы-призраки», природу которых физики не могут объяснить
Когда физики обнаружили сигналы высокоэнергетических нейтрино, поступающие с довольно неожиданного направления в космосе, они начали искать мощный источник, который мог бы объяснить их возникновение.
Просматривая семилетние данные эксперимента IceCube детектировавшего нейтрино, большая группа исследователей со всего мира вынуждена признать, что обычные объяснения открытия выглядят довольно слабыми.
Нейтрино являются электроноподобными членами Стандартной Модели фундаментальных частиц. В отличие от электронов, у них безумно малая масса и нет заряда.
Этот нейтралитет означает, что нейтрино не нужно останавливаться и взаимодействовать с другими частицами. Распад атомов в глубинах Солнца посылает их потоки сквозь планету каждую секунду, и лишь небольшая доля проходит достаточно близко к земным молекулам, чтобы вызвать заметный отклик.
Чтобы поймать редкую вспышку нейтрино, врезавшегося в замерзшую молекулу воды, обсерватория IceCube использует длинные цепочки чувствительного светозахватывающего оборудования, установленного под антарктическим льдом.
В течение почти десятилетия оно регистрировало сотни вспышек в день, создавая обширную базу данных о направлениях и энергиях нейтрино, омывающих Землю.
Но это не единственное оборудование для отслеживания нейтрино. С высоты почти 40 километров над Антарктикой, подвешенная к гелиевому воздушному шару, Антарктическая импульсная переходная антенна НАСА (ANITA) фиксирует нейтрино с невероятно высокими энергиями, сталкивающиеся с атомами в атмосфере.
Уже за первые несколько лет ее полетов было замечено несколько вспышек энергичных частиц. Как ни странно, два сигнала пришли не из космоса, а сквозь нашу планету.
Для нейтрино, отправившегося от Солнца, это не было бы таким уж удивительным явлением. Но в тех видах энергии, которые зафиксировала ANITA, нейтрино становятся настоящими «светлячками», сталкиваясь с атомами нашей планеты с гораздо большей скоростью.
«Обычно говорят, что нейтрино являются «неуловимыми» или «призрачными» частицами из-за их замечательной способности проходить сквозь материю, не взаимодействуя с нею», — говорит астрофизик Алекс Пиззуто из Университета Висконсин-Мэдисон в США.
«Но при таких невероятных энергиях нейтрино похожи на слонов в посудной лавке — они с большей вероятностью взаимодействуют с частицами на Земле».
Чтобы обнаружить пару таких нейтрино, пролетевших сквозь планету, требуется какое-то объяснение.
Конечно, это могут быть просто случайные открытия невероятно редкие по своей природе. Но гораздо более вероятно, что обнаруженные частицы поразили планету как часть потока.
Нейтрино высокой энергии, как правило, рождаются во взаимодействиях между космическими лучами и атомными ядрами, прежде чем получить сильный толчок от магнитных полей глубоко в космосе.
Исследователи разработали статистику, сколько высокоэнергетических нейтрино потребуется, чтобы ANITA обнаружила их, и покопались в данных IceCube, чтобы найти потенциальные события, которые могли бы быть причиной их появления в больших количествах.
«Этот процесс делает IceCube замечательным инструментом для отслеживания наблюдений ANITA, потому что для каждого аномального события, обнаруживаемого ANITA, IceCube должен был обнаруживать множество схожих», — говорит физик Анастасия Барбано из Женевского университета в Швейцарии.
«Однако мы их не обнаружили».
«Наш анализ исключил единственную оставшуюся стандартную модель астрофизического объяснения аномальных событий ANITA», — говорит Пиззуто.
«Так что теперь, если эти события реальны, то они могут указывать на физику за пределами стандартной модели».
Одной из возможностей является то, что космические магнитные поля создают вспышки нейтрино во временных масштабах, слишком коротких для ученых, чтобы уловить их с помощью современных технологий.
Мы можем даже рассмотреть роль темной материи или представить себе новые виды частиц, которые действуют как нейтрино высоких энергий, но возникают другими способами.
Здесь остается много вопросов, и сейчас наши знания все еще находятся в зачаточном состоянии.
IceCube и ANITA, без сомнения, будут искать новые загадочные «призраки» высоких энергий в надежде раздвинуть границы физики.
Предварительная публикация доступна на сайте arXiv.org.
