Наша лучшая модель физики элементарных частиц трещит по швам, пытаясь объяснить все странности во Вселенной. И теперь, кажется, она может не выдержать — и все благодаря серии странных событий в Антарктиде.
И теперь новые свидетельства из Антарктиды говорят о том, что Стандартную модель пора или менять, или дополнять: трижды с 2016 года частицы сверхвысоких энергии прорывались сквозь Землю, попадая в детекторы Антарктической импульсной переходной антенны (ANITA) — установки, свисающей с воздушного шара НАСА далеко над замерзшей поверхностью.
Вот так выглядит Стандартная модель, которая объясняет все взаимодействия частиц между собой, за исключением гравитации.
Ресурс Live Science еще в 2018 году писал о том, что эти события, наряду с несколькими дополнительными частицами, обнаруженными позже в подземной антарктической нейтринной обсерватории IceCube, не соответствуют ожидаемому поведению ни одной из частиц Стандартной модели. Частицы выглядят как нейтрино сверхвысоких энергий. Но они тогда не должны проходить сквозь Землю. Это наводит на мысль, что в детекторы в небе над Антарктидой попадает какая-то другая, доселе никому не известная частица.
Теперь, в новой статье, группа физиков, работающих на IceCube, поставила под сомнение одно из последних оставшихся объяснений, не разрушающее Стандартную модель: теоретически, эти нейтрино могут производить блазары, активные галактические ядра, являющиеся по сути гигантскими нейтринными пушками, которые могут периодически запускать интенсивные нейтринные лучи в сторону Земли. Группа сверхактивных блазаров где-нибудь на нашем северном небе могла бы испустить на Землю достаточное количество нейтрино, чтобы мы могли обнаружить частицы, вылетающие из южной оконечности нашей планеты. Но исследователи не нашли никаких доказательств существования этих блазаров, что говорит о том, что для объяснения загадочных частиц необходима новая физика.
Но что такое нейтрино, и почему физики к ним так привязались? Нейтрино — самые слабые частицы, о которых мы знаем: их крайне трудно обнаружить и они почти не имеют массы. В основном они происходят от термоядерных реакций в Солнце, и они постоянно проходят через нашу планету — и редко, очень редко, сталкиваются с протонами, нейтронами и электронами, из которых состоит окружающий нас мир. Для того, чтобы их обнаружить, строят гигантские детекторы километрового размера — и то временами на обнаружение хотя бы одного нейтрино уходят месяцы.
Детектор ANITA на фоне воздушного шара, который поднимает его в воздух.
Но нейтрино сверхвысоких энергий из дальнего космоса отличаются от своих низкоэнергетических собратьев, входящих в Стандартную модель. Они встречаются гораздо реже, чем нейтрино с низкой энергией, и имеют более широкие «сечения рассеяния», что означает, что они с большей вероятностью сталкиваются с другими частицами. Вероятность того, что нейтрино сверхвысоких энергий пробьется через Землю в целости и сохранности, настолько мала, что ученые даже не задумывались над тем, что могут их засечь. Вот почему обнаружение их ANITA было настолько удивительным: как будто этот прибор дважды выиграл в лотерею, купив всего два билета. А затем IceCube выиграл еще разок.
А физики-ядерщики знают, с каким количеством «лотерейных билетов» им приходится работать. Многие космические нейтрино сверхвысокой энергии возникают в результате взаимодействия космических лучей с космическим микроволновым фоном (КМВ), слабым послесвечением Большого Взрыва. Время от времени эти космические лучи взаимодействуют с КМВ именно так, как нужно, чтобы запустить высокоэнергетические частицы в сторону Земли. Это называется «нейтринный поток», и он одинаков по всему небу. И для ANITA, и для IceCube он уже измерен, и он просто не производит достаточного количества высокоэнергетических нейтрино, чтобы вы смогли обнаружить хотя бы одно такое, вылетающее из Земли, на любом из детекторов.
«Если события, обнаруженные ANITA, относятся к этому нейтринному потоку, то детектор должен был измерить много других схожих событий под другими углами», — сказала Анастасия Барбано, физик из Женевского университета, работающая на IceCube. Но, теоретически, за пределами нейтринного потока есть и другие источники нейтрино сверхвысоких энергий, сказала Барбано — например, те самые блазары.
«Если речь идет не о нейтрино, полученном в результате взаимодействия космических лучей с микроволновым фоном, то наблюдаемыми событиями могут быть либо нейтрино, произведенные отдельными блазарами в заданном интервале времени, либо поработал какой-то неизвестный земной источник», — добавила она.
По ее словам, кроме блазаров, активных ядер галактик, на роль нейтронных пушек подходят гамма-всплески и слияния галактик, а также намагниченные и быстро вращающиеся нейтронные звезды. И мы знаем, что такие источники нейтрино действительно существуют в космосе: по найденному в 2018 году в IceCube высокоэнергетическому нейтрино астрономы смогли найти его родительский блазар.
Схема детектора IceCube. Размеры камеры, в которой обнаруживаются нейтрино, около одного кубического километра.
По словам Барбано, ANITA улавливает только самые экстремальные высокоэнергетические нейтрино, и если бы летящие из-под Земли нейтрино принадлежали Стандартной модели — скорее всего, это были бы тау-нейтрино — тогда такой нейтринный луч должен идти с потоком более низкоэнергетических частиц, который засек бы детектор IceCube.
«Мы искали такие события за семь лет сбора данных на IceCube», — сказала Барбано о событиях, которые соответствовали бы обнаруженными на ANITA высокоэнергетическим нейтрино, если бы они принадлежали Стандартной модели. Но исследователи ничего не нашли.
Конечно, их результаты не полностью исключают возможность нахождения космического источника нейтрино. Но они «строго ограничивают» диапазон возможностей, устраняя все наиболее вероятные сценарии, включающие блазары и высокоэнергетические нейтрино из Стандартной модели.
«Сообщение, которое мы хотим донести до общественности, заключается в том, что астрофизическое объяснение Стандартной модели просто не работает», — сказала Барбано.
Исследователи не знают, что будет дальше. По словам Барбано, ни ANITA, ни IceCube не являются идеальными детекторами для необходимых последующих поисков, оставляя исследователям очень мало данных, на которых можно основывать свои предположения об этих таинственных частицах. Это немного похоже на попытку понять гигантскую мозаичную картину, имея на руках лишь несколько пазлов. «Мы должны дождаться следующего поколения нейтринных детекторов», — сказала Барбано.
Такие новые частицы могут входить в четвертый вид нейтрино, которых называют «стерильными», и их нет в Стандартной модели. Они также могут быть отголосками темной материи. Любое из этих объяснений было бы революционным. Но ни одно из них еще не получило окончательного подтверждения.
