Наша лучшая модель физики элементарных частиц взрывается по швам, пытаясь сдержать все странности во вселенной. Теперь, кажется, больше, чем когда-либо, это может произойти, благодаря серии странных событий в Антарктике ...
Смерть этой господствующей физической парадигмы, Стандартной Модели, предсказывалась десятилетиями. Есть намеки на его проблемы в физике, которые у нас уже есть. Странные результаты лабораторных экспериментов свидетельствуют о вспышках новых видов нейтрино за пределами трех, описанных в Стандартной модели. И Вселенная кажется наполненной темной материей, которую никакая частица в Стандартной Модели не может объяснить.
Но недавние дразнящие свидетельства могут однажды связать воедино эти смутные нити данных: трижды с 2016 года частицы сверхвысоких энергий взорвались сквозь лед Антарктиды, запустив детекторы в эксперименте Антарктической импульсной переходной антенны (ANITA), машина свисала с воздушного шара НАСА далеко над замерзшей поверхностью.
Как сообщила «Живая наука» в 2018 году, эти события - наряду с несколькими дополнительными частицами, обнаруженными позднее в погребенной антарктической нейтринной обсерватории IceCube - не соответствуют ожидаемому поведению частиц Стандартной модели. Частицы выглядят как нейтрино сверхвысоких энергий. Но нейтрино сверхвысоких энергий не должны проходить сквозь Землю. Это говорит о том, что какая-то другая частица - та, которую никогда раньше не видели - бросается в холодное южное небо.
Теперь, в новой статье, группа физиков, работающих над IceCube, поставила под сомнение одно из последних оставшихся объяснений Стандартной модели для этих частиц: космические ускорители, гигантские нейтринные пушки, скрывающиеся в космосе, которые будут периодически запускать интенсивные нейтринные пули на Земле. Собрание сверхактивных нейтринных пушек где-нибудь на нашем северном небе могло бы выбросить в Землю достаточно нейтрино, чтобы мы могли обнаружить частицы, вылетающие из южной оконечности нашей планеты. Но исследователи IceCube не нашли никаких доказательств этой коллекции, что говорит о том, что для объяснения загадочных частиц необходима новая физика.
Чтобы понять почему, важно знать, почему эти загадочные частицы так тревожат Стандартную модель.
Нейтрино - самые слабые частицы, о которых мы знаем; их трудно обнаружить и они почти безмассовые. Они проходят через нашу планету все время - в основном от Солнца и редко, если вообще когда-либо, сталкиваются с протонами, нейтронами и электронами, которые составляют наши тела и грязь под нашими ногами.
Но нейтрино сверхвысоких энергий из дальнего космоса отличаются от своих низкоэнергетических кузенов. Гораздо реже, чем нейтрино с низкой энергией, они имеют более широкие «сечения», что означает, что они с большей вероятностью сталкиваются с другими частицами при прохождении через них. Вероятность того, что нейтрино сверхвысоких энергий пробьется через Землю в целости и сохранности, настолько мала, что вы даже не ожидаете обнаружить, что это происходит. Вот почему обнаружение ANITA было настолько удивительным: как будто инструмент дважды выиграл в лотерею, а затем IceCube выиграл его еще пару раз, как только начал покупать билеты.
А физики знают, сколько лотерейных билетов им приходилось работать. Многие космические нейтрино сверхвысоких энергий происходят от взаимодействия космических лучей с космическим микроволновым фоном (CMB), слабым послесвечением Большого взрыва. Время от времени, эти космические лучи взаимодействуют с CMB только правильным способом, чтобы запустить высокоэнергетические частицы на Земле. Это называется «поток», и это одинаково по всему небу. И ANITA, и IceCube уже измерили, как выглядит поток космических нейтрино для каждого из их датчиков, и он просто не производит достаточно высокоэнергетических нейтрино, чтобы вы могли обнаружить нейтрино, вылетающее из Земли на любом из детекторов даже один раз. ,
«Если события, обнаруженные ANITA, относятся к этому диффузному нейтринному компоненту, ANITA должна была измерить многие другие события под другими углами возвышения», - сказала Анастасия Барбано, физик из Женевского университета, работающий над IceCube.
Но теоретически, за пределами небесного потока, возможно, были источники нейтрино сверхвысокой энергии, сказал Барбано в прямом эфире Science Science: это нейтринные пушки или космические ускорители.
«Если речь идет не о нейтрино, полученном в результате взаимодействия космических лучей сверхвысокой энергии с CMB, то наблюдаемыми событиями могут быть либо нейтрино, произведенные отдельными космическими ускорителями в заданном интервале времени», либо какой-то неизвестный земной источник, Барбано сказал.
По ее словам, блазары, активные ядра галактик, гамма-всплески, галактики звездных вспышек, слияния галактик, а также намагниченные и быстро вращающиеся нейтронные звезды - все это хорошие кандидаты на такие ускорители. И мы знаем, что космические ускорители нейтрино существуют в космосе; в 2018 году IceCube отследил высокоэнергетическое нейтрино до блазара, интенсивной струи частиц, исходящих из активной черной дыры в центре далекой галактики.
По словам Барбано, ANITA принимает только самые экстремальные нейтрино с высокой энергией, и если летящие вверх частицы были нейтрино с космическим ускорителем из Стандартной модели - скорее всего, тау-нейтрино - тогда луч должен был бы идти с потоком более низких -энергетические частицы, которые сработали бы в детекторах низкой энергии IceCube.
«Мы искали события за семь лет данных IceCube», - сказал Барбано - события, которые соответствовали углу и длине обнаружений ANITA, которые вы могли бы ожидать, если бы там была значительная батарея космических нейтринных пушек, стреляющих в Землю производить эти восходящие частицы. Но никто не появился.
Их результаты не полностью исключают возможность появления источника ускорителя. Но они «жестко ограничивают» диапазон возможностей, устраняя все наиболее вероятные сценарии, включающие космические ускорители и многие менее вероятные.
«Сообщение, которое мы хотим донести до общественности, заключается в том, что астрофизическое объяснение Стандартной модели не работает, как бы вы его ни вырезали», - сказал Барбано.
Исследователи не знают, что будет дальше. По словам Барбано, ни ANITA, ни IceCube не являются идеальным детектором для необходимых последующих поисков, оставляя исследователям очень мало данных, на которых можно основывать свои предположения об этих таинственных частицах. Это немного похоже на попытку выяснить картину на гигантской мозаике из нескольких кусочков.
В настоящее время многие возможности, по-видимому, соответствуют ограниченным данным, включая четвертый вид «стерильных» нейтрино за пределами Стандартной модели и ряд теоретических типов темной материи. Любое из этих объяснений было бы революционным. Но ни одно из них еще не получило одобрения.
«Мы должны дождаться следующего поколения детекторов нейтрино», - сказал Барбано.
