Призрачная частица-рекордсмен: ключ к тайне тёмной материи и взрывающихся чёрных дыр?

Невозможно мощная «призрачная частица», недавно пронзившая Землю, возможно, родилась в результате взрыва редкого типа чёрной дыры, утверждают исследователи.

Если эта гипотеза верна, столь неординарное событие может подтвердить теорию, способную перевернуть наши представления как о физике частиц, так и о тёмной материи, утверждает научная группа. Впрочем, это лишь одна из версий, и прямых доказательств того, что всё произошло именно так, пока нет.

В начале 2023 года учёные на телескопе KM3NeT (Кубический километровый нейтринный телескоп) — масштабном, недавно построенном массиве датчиков на дне Средиземного моря — зафиксировали нейтрино. Эта «призрачная» частица почти не имеет массы и крайне редко взаимодействует с обычной материей.

Помимо обычной странности нейтрино, эта конкретная частица выделялась своей невероятной энергией. По оценкам, она обрушилась на нашу планету с энергией до 220 квадриллионов электронвольт. Это как минимум в 100 раз мощнее любого другого нейтрино, обнаруженного до сих пор, и примерно в 100 000 раз превышает энергию частиц, создаваемых в рукотворных ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер ЦЕРН.

Объясняя необъяснимое

Изначально исследователи не были уверены, что породило это «невозможное» нейтрино. Оно могло возникнуть, когда космический луч вошёл в атмосферу Земли, вызвав каскад высокоэнергетических частиц. Однако его беспрецедентная мощность заставила экспертов предположить, что его источником должно было стать какое-то высокоэнергетическое космическое событие, которое мы до конца не понимаем.

В новой статье, принятой к публикации в журнале Physical Review Letters, одна группа учёных заявляет, что им наконец удалось установить истинного «виновника»: взорвавшуюся первичную чёрную дыру (ПЧД).

ПЧД — это гипотетический класс чёрных дыр, которые крайне малы (размером от атома до булавочной головки) и, вероятно, возникли в первые мгновения после Большого взрыва. Концепцию популяризировал британский физик Стивен Хокинг в начале 1970-х годов. Он также предположил, что эти миниатюрные сингулярности при медленном испарении излучают огромное количество высокоэнергетических частиц — так называемое излучение Хокинга. Теоретически это означает, что они способны и к взрыву.

«Чем легче чёрная дыра, тем она горячее и тем больше частиц должна излучать, — заявила соавтор исследования Андреа Тамм, теоретический физик из Массачусетского университета в Амхерсте. — По мере испарения ПЧД они становятся всё легче и горячее, излучая всё больше радиации в этом неуправляемом процессе, ведущем к взрыву».

Одна из главных загадок, окружающих это нейтрино (помимо его колоссальной мощности), заключается в том, что его не зафиксировали другие нейтринные обсерватории мира, например, «АйсКьюб» (IceCube), скрытая во льдах Антарктиды. Поскольку ПЧД, как предполагается, довольно распространены во Вселенной, можно было бы ожидать, что столь же мощные частицы должны были обнаруживаться и раньше, и позже, особенно с ростом числа детекторов. Исследователи объясняют это тем, что нейтрино было испущено особым типом ПЧД, названным квази-экстремальной первичной чёрной дырой, которая обладает «тёмным зарядом» — версией обычной электрической силы, включающей гипотетическую, очень тяжёлую версию электрона («тёмный электрон»).

Тёмные свойства этого теоретического типа ПЧД делают взрывы таких дыр менее вероятными для обнаружения. Учёные также добавили, что некоторые из менее мощных нейтрино, зафиксированных ранее, могут быть лишь частичными сигналами от подобных событий.

«ПЧД с тёмным зарядом обладает уникальными свойствами и ведёт себя иначе, чем другие, более простые модели ПЧД, — сказала Тамм. — Мы показали, что это может объяснить все, казалось бы, противоречивые экспериментальные данные».

Переворот в космическом понимании

Хотя новое исследование указывает на возможное существование квази-экстремальных ПЧД, оно не подтверждает его и не доказывает, что они взрываются так, как предполагают учёные (обычные ПЧД также никогда не наблюдались напрямую, хотя консенсус об их существовании весьма силён).

Однако команда уверена, что доказательства этих тёмных взрывов не заставят себя долго ждать. Эта же исследовательская группа недавно предсказала 90%-ную вероятность того, что мы увидим первый взрыв квази-экстремальной ПЧД к 2035 году. Это было бы чрезвычайно важно по двум основным причинам.

Во-первых, эти взрывы были бы настолько мощными, что, вероятно, излучали бы «исчерпывающий каталог всех существующих субатомных частиц». В него вошли бы как известные частицы (например, бозон Хиггса), так и теоретические (гравитоны или путешествующие во времени тахионы), и «всё остальное, что науке пока совершенно неизвестно».

Во-вторых, эти чёрные дыры могут помочь раскрыть таинственную природу тёмной материи — невидимой субстанции, чьё гравитационное влияние мы обнаруживаем почти в каждой наблюдаемой галактике, включая Млечный Путь. Исследователи пишут, что квази-экстремальные ПЧД «могут составлять всю наблюдаемую тёмную материю во Вселенной», поэтому их обнаружение может помочь разрешить эту загадку (несмотря на схожесть названий, тёмная материя не имеет прямого отношения к тёмному заряду или тёмным электронам).

Исследователи, наряду с другими командами в области физики и космологии, с замиранием сердца ждут, когда же будет зафиксирован первый такой взрыв.

«Это невероятное событие откроет новое окно во Вселенную и поможет нам объяснить это иначе необъяснимое явление», — заявил в интервью ведущий автор исследования Майкл Бейкер, теоретический физик из Массачусетского университета в Амхерсте.

Если предсказание команды сбудется, это станет не просто открытием нового астрофизического объекта, а полноценной революцией в фундаментальной физике. Взрыв первичной чёрной дыры станет единственной в своём роде лабораторией, где можно будет в чистом виде наблюдать процессы, происходившие в первые доли секунды после рождения Вселенной, при энергиях, недостижимых ни на одном земном коллайдере.

Это позволит протестировать самые смелые теории, включая те, что пытаются объединить квантовую механику и общую теорию относительности. Более того, изучение спектра частиц от такого взрыва может не только подтвердить или опровергнуть состав тёмной материи, но и указать на существование дополнительных измерений пространства-времени или иные, пока неведомые, фундаментальные взаимодействия. Таким образом, один-единственный «призрачный» посланец из глубин космоса способен превратиться в ключ, отпирающий двери к новой, более глубокой картине мироздания.