Наша найкраща модель фізики частинок лопається по швах, коли вона бореться за те, щоб утримати все дивацтво у Всесвіті. Тепер, мабуть, швидше за все, це може з’явитися завдяки низку дивних подій в Антарктиді…
Загибель цієї пануючої фізичної парадигми, Стандартної моделі, передбачається десятиліттями. У фізиці у нас вже є натяки на її проблеми. Дивні результати лабораторних експериментів свідчать про мерехтіння примарних нових видів нейтрино за межами трьох, описаних у Стандартній моделі. І Всесвіт здається повною темної матерії, яку жодна частинка в Стандартній моделі не може пояснити.
Але останні доказові докази, можливо, одного разу пов'язують ці невиразні нитки даних разом: Три рази з 2016 року частинки надвисокої енергії вибухали через лід Антарктиди, встановлюючи детектори в експерименті Антарктичної імпульсивної перехідної антени (ANITA), машина нависла з повітряної кулі НАСА далеко над замерзлою поверхнею.
Як повідомляло Live Science у 2018 році, ці події - поряд із кількома додатковими частинками, виявленими пізніше в похованій обсерваторії нейтралі Антарктики IceCube - не відповідають очікуваній поведінці будь-яких частинок Стандартної моделі. Частинки виглядають як ультраенергетичні нейтрино. Але ультраенергетичні нейтрино не повинні мати можливість проходити через Землю. Це говорить про те, що якась інша частинка - така, яку ніколи раніше не бачили - перекидається на холодне південне небо.
Тепер, у новому документі, група фізиків, що працюють на IceCube, викликає серйозні сумніви в одному з останніх пояснень Стандартної моделі щодо цих частинок: космічних прискорювачів, гігантських нейтрино-гармат, що ховаються в космосі, які періодично вистрілюють бляхі кулі нейтрино на Землі. Колекція гіперактивних нейтрино гармат десь на північному небі могла підірвати на Землю достатньо нейтрино, щоб ми могли виявити частинки, що стріляли з південного краю нашої планети. Але дослідники IceCube не знайшли жодних доказів цієї колекції, що дозволяє припустити, що для пояснення загадкових частинок потрібна нова фізика.
Щоб зрозуміти чому, важливо знати, чому ці таємничі частинки настільки неспокійні для Стандартної моделі.
Нейтрино - найменші частинки, про які ми знаємо; їх важко виявити і майже безцільно. Вони весь час проходять через нашу планету - в основному виходять із сонця і рідко, якщо і колись, стикаються з протонами, нейтронами та електронами, що складають наше тіло та бруд під нашими ногами.
Але ультрависокі енергетичні нейтрино з глибокого космосу відрізняються від своїх кузенів з низькою енергією. Набагато рідше, ніж нейтрино з низькою енергією, вони мають більш широкі «поперечні перерізи», тобто вони швидше стикаються з іншими частинками, проходячи через них. Шанси нейтрино надвисокої енергії, що робить його цілим через Землю недоторканими, настільки низькі, що ви ніколи не сподівались би виявити це. Ось чому виявлення ANITA були настільки дивними: це було так, ніби інструмент вигравав в лотереї двічі, а потім IceCube виграв його ще пару разів, як тільки почав купувати квитки.
А фізики знають, скільки лотерейних квитків їм довелося працювати. Багато космічних нейтрино ультрависоких енергій походять від взаємодій космічних променів з космічним мікрохвильовим фоном (КМБ), слабким післясвіченням Великого вибуху. Час від часу ці космічні промені взаємодіють із СМВ якраз правильним чином для вистрілення високоенергетичних частинок на Землі. Це називається "потік", і він однаковий по всьому небу. І ANITA, і IceCube вже виміряли, як виглядає космічний потік нейтрино для кожного з їх датчиків, і він просто не виробляє достатньо високоенергетичних нейтрино, які, як ви очікуєте, зможете виявити нейтрино, що летить із Землі на будь-якому детекторі навіть один раз .
"Якщо події, виявлені ANITA, належать до цього дифузного нейтринного компонента, ANITA повинна була виміряти багато інших подій під іншими кутами підйому", - сказала Анастасія Барбано, фізика з Женевського університету, яка працює над IceCube.
Але теоретично могли бути джерела нейтрино надвисокої енергії поза потоком неба, сказав Барбано Live Science: ці нейтринні гармати або космічні прискорювачі.
"Якщо мова не йде про нейтрино, що утворюється при взаємодії космічних променів надвисокої енергії з КМБ, то спостережувані події можуть бути або нейтрино, що виробляються окремими космічними прискорювачами в заданому інтервалі часу", або якесь невідоме земне джерело, - сказав Барбано.
Блазари, активні галактичні ядра, вибухи гамма-випромінювань, галактики зоряних вибухів, злиття галактик, намагнічені та швидко обертові нейтронні зірки - все це хороші кандидати для таких прискорювачів, сказала вона. І ми знаємо, що у космічному просторі існують космічні прискорювачі нейтрино; у 2018 році IceCube відстежив нейтрино з високою енергією назад до блазара, інтенсивним струменем частинок, що надходили з активної чорної діри в центрі далекої галактики.
ANITA підбирає лише найекстремальніші нейтрино з високою енергією, сказав Барбано, і якщо частинки, що летять вгору, були нейтрино, підсилене космічним прискорювачем, від стандартної моделі - швидше за все, тау-нейтрино - тоді промінь повинен був прийти з душею нижче -енергетичні частинки, які мали б спрацювати детектори нижчої енергії IceCube.
"Ми шукали події за сім років даних IceCube", - сказав Барбано - події, які відповідали куту та довжині детектувань ANITA, які, як ви очікували, знайдете, якби там значну батарею космічних нейтрино знарядь стріляли на Землю для отримання цих висхідних частинок. Але жоден не з’явився.
Їх результати не виключають повністю можливості джерела акселератора там. Але вони "сильно обмежують" коло можливостей, виключаючи всі найбільш правдоподібні сценарії, що включають космічні прискорювачі та багато менш правдоподібних.
"Повідомлення, яке ми хочемо донести до громадськості, полягає в тому, що астрофізичне пояснення" Стандартної моделі "не працює незалежно від того, як ви його нарізаєте", - сказав Барбано.
Дослідники не знають, що далі. Ні ANITA, ні IceCube не є ідеальним детектором для необхідних подальших пошуків, сказав Барбано, залишивши дослідникам дуже мало даних, на яких можна базувати свої припущення щодо цих загадкових частинок. Це трохи схоже на те, щоб спробувати розібрати малюнок на гігантській головоломці з кількох штук.
Зараз, здається, багато можливостей відповідають обмеженим даним, включаючи четвертий вид "стерильного" нейтрино за межами Стандартної моделі та ряд теоретизованих типів темної речовини. Будь-яке з цих пояснень було б революційним.
"Треба чекати наступного покоління детекторів нейтрино", - сказав Барбано.
