Над безмежними крижаними просторами Антарктиди детектор частинок нещодавно викликав неабиякий ажіотаж у світі фізики елементарних частинок. Він зафіксував надзвичайно незвичайні радіоімпульси, що надходили з-під багатовікового льоду. Це виявлення спричинило хвилю спекуляцій: від припущень про існування нових типів нейтрино чи зовсім інших, невідомих частинок, до доволі екстравагантних заяв про докази існування паралельних всесвітів. І хоча ця загадка й без того глибока, нещодавня стаття команди з обсерваторії П’єра Оже в Аргентині, схоже, виключає найбільш правдоподібне пояснення в рамках стандартної моделі фізики, пише T4.
Експеримент ANITA (Антарктична імпульсна перехідна антена) передбачає використання цілого ряду інструментів, що піднімаються над Антарктидою на стратосферній кулі. Мета цього амбітного проекту — виявити космічні нейтрино, крихітні частинки, що взаємодіють лише через гравітацію та слабку силу, які походять з віддалених астрофізичних джерел і взаємодіють з льодом. “У нас є ці радіоантени на повітряній кулі, яка летить над льодом в Антарктиді”, – пояснює IFLScience Стефані Віссел, доцент кафедри фізики, астрономії та астрофізики в Університеті штату Пенсильванія. “Ми спрямовуємо наші антени вниз на лід і шукаємо нейтрино, які взаємодіють у льоду, створюючи радіовипромінювання, яке ми потім можемо відчути на наших детекторах”.
Хоча виявлення нейтрино саме по собі є досить рідкісним явищем, команда дослідників зіткнулася з особливо незвичайними радіосигналами у 2016 та 2018 роках, які, здається, відкрито суперечать нашому сучасному розумінню фізики елементарних частинок. Коли про них вперше повідомили, команда висунула правдоподібні гіпотези щодо їхнього походження. “Ці події можуть бути спричинені атмосферним розпадом висхідного тау-лептона, утвореного взаємодією з тау-нейтрино”, – писала команда у своїй статті 2018 року, – “хоча їхні відносно круті кути приходу створюють напруження зі стандартним поперечним перерізом нейтрино”.
Особливо дивним було те, що ці два “аномальні” радіоімпульси виходили з-під горизонту, тобто буквально з-під льоду. “Радіохвилі, які ми виявили, знаходилися під дуже крутими кутами, наприклад, на 30 градусів нижче поверхні льоду”, – додає Віссел. За її словами, розрахунки команди показали, що для виявлення радіоімпульсу він мав пройти крізь породу на глибину 6000-7000 кілометрів (3700-4300 миль). Але після проходження крізь таку товщу породи він мав би взаємодіяти з нею та повністю поглинутися, залишаючи його невиявним. “Це цікава проблема, тому що ми досі не маємо пояснення, що це за аномалії, але ми знаємо точно, що вони, найімовірніше, не представляють нейтрино”, — констатує Віссел.
Коли тау-нейтрино потрапляють на лід, вони взаємодіють та утворюють радіовипромінювання, відоме як “крижані зливи”. Але вони також утворюють вторинну частинку, відому як тау-лептон, яка розпадається під час свого руху, з результуючим випромінюванням, відомим як “повітряні зливи”. Аналізуючи сигнали, дослідники можуть визначити властивості частинки, яка її створила, та спробувати простежити її до джерела. Але в цьому випадку є проблема в тому, що кут радіоімпульсу набагато гостріший, ніж передбачають існуючі моделі. Розглядаючи дані експерименту IceCube та обсерваторії П’єра Оже, команда виявила, що вони не бачили подібних висхідних повітряних потоків, а також нічого, що могло б пояснити виявлення ANITA.
“Ці події демонструють сильну горизонтальну поляризацію, але без інверсії полярності, яка очікується для відбитих імпульсів від потоків UHECR”, – пояснила команда у своїй нещодавній статті. “Вони можуть бути викликані повітряними зливами, що розвиваються вгору, як і можна було очікувати від розпадів тау-лептонів, що утворюються внаслідок взаємодії тау-нейтрино надвисокої енергії під поверхнею. Однак напрямок спостережуваних імпульсів передбачає, що нейтрино повинні пройти близько 6000–7000 км через Землю, перш ніж взаємодіяти під поверхнею льоду. Це відповідає приблизно 8–10 довжинам взаємодії при необхідній енергії нейтрино 𝐸𝜈 ≳0,2 ЕеВ, що викликає сильне ослаблення та вимагає потоку 𝜈𝜏, який мав би спостерігатися за допомогою IceCube та обсерваторії П’єра Оже, остання з яких є особливо чутливою до тау-нейтрино, що летять навколо Землі”.
Команда підозрює, що ці сигнали не спричинені нейтрино, але й інші частинки також були виключені. “Результати цього пошуку не підтверджують інтерпретацію того, що аномальні імпульси, виявлені під час польотів ANITA I та III, були спричинені повітряними зливами, що виникли внаслідок взаємодії частинок або розпадів”, – додала команда, – “наприклад, розпадами висхідних тау-частинок, причому останні є основою запропонованих пояснень, заснованих на фізиці, що виходить за межі [стандартної моделі]”.
Щоб зрозуміти масштаби висунутих гіпотез, варто згадати одну додрукарську статтю 2018 року, в якій було висловлено припущення, що сигнал є доказом існування паралельного всесвіту, що рухається у зворотному напрямку в часі. Згідно з цією статтею, сигнал міг бути створений частинкою-кандидатом на темну матерію всередині Землі, а саме “правим нейтрино з енергією 480 ПеВ, яке розпадається на бозон Хіггса та легке нейтрино Майорани. Останнє взаємодіє в земній корі, утворюючи τ-лептон, який, у свою чергу, ініціює висхідний атмосферний злив”. За словами авторів, це було б доказом симетричного Всесвіту CPT, що вимагає існування паралельного Всесвіту, створеного одночасно з Великим вибухом і такого, що рухається у зворотному напрямку часу.
Проте, після того, як кілька публікацій оприлюднили цю гіпотезу, NASA та Гавайський університет у Маноа опублікували заяви, в яких досить сильно дистанціювалися від цієї ідеї. “NASA та команда Горхема не вважають, що зібрані дані є доказом паралельного всесвіту”, – йдеться у заяві агентства, яку опублікувало видання CNN. “NASA покладається на процес рецензування науковою спільнотою через дослідницькі журнали та публікації. Таблоїди оманливо пов’язали експериментальну роботу NASA та Горхема, яка виявила деякі аномалії в даних, з теорією, запропонованою зовнішніми фізиками, не пов’язаними з цією роботою. Горхем вважає, що існують більш правдоподібні, простіші пояснення аномалій”.
Наразі ми точно не знаємо, що це за сигнал, і ще зарано робити поспішні висновки про симетричний Всесвіт за принципом CPT. Можливо, ці відкриття дійсно можуть призвести до нової фізики, хоча поки що ми не можемо точно сказати, що це буде. “Я гадаю, що поблизу льоду, а також поблизу горизонту відбувається якийсь цікавий ефект поширення радіохвиль, який я до кінця не розумію, але ми точно дослідили кілька з них, і нам також поки що не вдалося знайти жодного з них”, – додає Віссел. “Тож зараз це одна з цих давніх загадок, і я радий, що коли ми полетимо на PUEO, у нас буде краща чутливість. В принципі, ми повинні вловити більше аномалій, і, можливо, ми насправді зрозуміємо, що вони собою являють. Ми також можемо виявити нейтрино, що в певному сенсі було б набагато цікавіше”.
