В Антарктиде с помощью детектора космических частиц зафиксирована серия необычных сигналов, которые противоречат современным представлениям о физике элементарных частиц. Об этом сообщила международная группа учёных, в которую входят специалисты из Университета штата Пенсильвания.
Недавние радиоимпульсы были обнаружены экспериментом Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) — комплексом приборов, запущенных на воздушных шарах высоко над Антарктидой для регистрации радиоволн от космических лучей, взаимодействующих с атмосферой.
Цель эксперимента — получить представление об отдалённых космических событиях путём анализа сигналов, достигающих Земли.
Сигналы, представляющие собой вид радиоволн, по словам команды, пришли из-под горизонта, что не может быть объяснено с точки зрения современной физики элементарных частиц и может указывать на новые типы частиц или взаимодействий, ранее неизвестные науке.
Исследователи опубликовали свои результаты в журнале Physical Review Letters.
«Радиоволны, которые мы обнаружили, имели очень крутые углы, примерно 30 градусов ниже поверхности льда», — сказала Стефани Виссель, доцент кафедры физики, астрономии и астрофизики, работавшая в группе ANITA, занимающейся поиском сигналов от неуловимых частиц, называемых нейтрино.
Она объяснила, что, по их расчётам, аномальный сигнал должен был пройти через тысячи километров горных пород, прежде чем достичь детектора, что должно было сделать радиосигнал необнаружимым, поскольку он был бы поглощён породой.
Нейтрино — это частицы без заряда и с наименьшей массой среди всех субатомных частиц, которых во Вселенной очень много. Обычно они испускаются высокоэнергетическими источниками, такими как Солнце, или крупными космическими событиями, такими как сверхновые или даже Большой взрыв.
«У вас миллиард нейтрино проходит через кончик вашего ногтя в любой момент, но нейтрино практически не взаимодействуют», — сказала она. «Итак, это проблема с двойным лезвием. Если мы их обнаружим, это будет означать, что они прошли весь этот путь, не взаимодействуя ни с чем другим. Мы можем обнаружить нейтрино, пришедшие с края наблюдаемой Вселенной».
После обнаружения и определения источника эти частицы могут рассказать о космических событиях больше, чем даже самые мощные телескопы, добавила Виссель. Частицы могут путешествовать беспрепятственно и почти со скоростью света, давая подсказки о космических событиях, которые произошли за световые годы отсюда.
Виссель и группы исследователей по всему миру работают над созданием специальных детекторов для улавливания чувствительных сигналов нейтрино даже в относительно небольших количествах. Даже один небольшой сигнал от нейтрино содержит сокровищницу информации, поэтому все данные имеют значение, сказала она.
ANITA — один из таких детекторов, и он был размещён в Антарктиде, потому что вероятность помех от других сигналов невелика. Чтобы уловить сигналы излучения, радиодетектор, размещённый на воздушном шаре, отправляют летать над участками льда, фиксируя так называемые ледяные ливни.
«У нас есть радиоантенны на воздушном шаре, который летит на высоте 40 километров над льдом в Антарктиде, — сказала Виссель. — Мы направляем наши антенны вниз на лёд и ищем нейтрино, которые взаимодействуют со льдом, создавая радиоизлучение, которое мы затем фиксируем на наших детекторах».
Эти особые нейтрино, взаимодействующие со льдом, называются тау-нейтрино. Они производят вторичную частицу, называемую тау-лептоном, которая высвобождается изо льда и распадается. Термин «распад» относится к тому, как частица теряет энергию, путешествуя в пространстве, и распадается на составляющие. Это создаёт излучение, известное как воздушные ливни.
Если бы они были видны невооружённым глазом, воздушные ливни могли бы выглядеть как бенгальский огонь, которым машут в одном направлении, а искры следуют за ним, объяснила Виссель. Исследователи могут различать два сигнала — ледяные и воздушные ливни — чтобы определить характеристики частицы, создавшей сигнал.
Эти сигналы затем можно отследить до их источника, подобно тому, как мяч, брошенный под углом, предсказуемо отскакивает обратно под тем же углом, сказала Виссель. Однако недавние аномальные находки не могут быть прослежены таким образом, поскольку угол намного круче, чем предсказывают существующие модели.
Анализируя данные, собранные в ходе нескольких полётов ANITA, и сравнивая их с математическими моделями и обширным моделированием как обычных космических лучей, так и восходящих воздушных ливней, исследователи смогли отфильтровать фоновый шум и исключить возможность других известных сигналов, основанных на частицах.
Затем исследователи сверяли сигналы с другими независимыми детекторами, такими как эксперимент IceCube и обсерватория Пьер Оже, чтобы увидеть, были ли зафиксированы данные о восходящих воздушных ливнях, подобных тем, что обнаружил ANITA.
Анализ показал, что другие детекторы не зарегистрировали ничего, что могло бы объяснить обнаруженное ANITA, что привело исследователей к описанию сигнала как «аномального», означающего, что частицы, вызывающие сигнал, не являются нейтрино, объяснила Виссель.
Сигналы не вписываются в стандартную картину физики элементарных частиц, и хотя несколько теорий предполагают, что это может быть признаком тёмной материи, отсутствие последующих наблюдений с помощью IceCube и Auger значительно сужает возможности, сказала она.
Университет штата Пенсильвания создавал детекторы и анализировал сигналы нейтрино в течение почти 10 лет, объяснила Виссель, и добавила, что её команда в настоящее время разрабатывает и создаёт новый крупный детектор. Новый детектор, называемый PUEO, будет больше и лучше улавливать сигналы нейтрино, сказала Виссель, и, возможно, прольёт свет на то, что именно представляет собой аномальный сигнал.
«Я предполагаю, что вблизи льда и у горизонта происходит какой-то интересный эффект распространения радиоволн, который я до конца не понимаю, но мы, конечно, изучили несколько из них и пока не смогли найти ни одного», — сказала Виссель. «Итак, сейчас это одна из давних загадок, и я рада, что, когда мы запустим PUEO, у нас будет лучшая чувствительность. В принципе, мы должны обнаружить больше аномалий, и, возможно, мы действительно поймём, что они из себя представляют. Мы также можем обнаружить нейтрино, что было бы в некотором смысле гораздо более захватывающим».
Другой соавтор из Университета штата Пенсильвания — Эндрю Зеолла, докторант по физике.
Предоставлено:
Университет штата Пенсильвания