В Антарктиде с помощью детектора космических частиц зафиксирована серия необычных сигналов, которые не поддаются нынешнему пониманию физики элементарных частиц. Об этом сообщила международная группа исследователей, в которую входят учёные из Университета штата Пенсильвания. Необычные радиоимпульсы были обнаружены в рамках эксперимента Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA). Это комплекс приборов, поднятых на воздушных шарах высоко над Антарктидой для обнаружения радиоволн от космических лучей, взаимодействующих с атмосферой.
Цель эксперимента — изучить далёкие космические события путём анализа сигналов, достигающих Земли. Согласно заявлению группы, сигналы, представляющие собой форму радиоволн, поступали не от поверхности льда, а как будто из-под горизонта. Такое направление не может быть объяснено с точки зрения современного понимания 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 по поиску 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 породами.
«Это интересная проблема, потому что у нас до сих пор нет объяснения этих аномалий, но мы точно знаем, что они, скорее всего, не представляют собой нейтрино», — сказала Виссель.
Нейтрино, частицы без заряда и с наименьшей массой среди всех субатомных частиц, в изобилии присутствуют во Вселенной. Обычно они излучаются источниками с высокой энергией, такими как Солнце, или в результате крупных космических событий, таких как сверхновые или даже Большой взрыв. Нейтрино повсюду, но их сложно обнаружить.
«В любой момент через ваш ноготь проходит миллиард нейтрино, но нейтрино практически не взаимодействуют», — сказала она. «Итак, это проблема двойного обоюдоострого меча. 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, поскольку частицы могут путешествовать беспрепятственно и почти со скоростью света, давая подсказки о космических событиях, произошедших 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 бесценную информацию, поэтому все данные имеют значение, сказала она.
«Мы используем радиодетекторы, чтобы попытаться создать действительно большие нейтринные телескопы, чтобы мы могли отслеживать довольно низкую ожидаемую частоту событий», — сказала Виссель, которая разработала эксперименты по обнаружению нейтрино в Антарктиде и Южной Америке.
ANITA — один из таких детекторов, и он был размещён в Антарктиде, потому что там мало шансов на помехи от других сигналов. 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, называемые тау-нейтрино, 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, который под углом направляют в одну сторону, а искры следуют за ним. 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 гораздо острее, 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 сверили 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 обнаружены ANITA, другими экспериментами.
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 намёком на тёмную материю, отсутствие последующих наблюдений с помощью IceCube и Auger значительно сужает возможности, сказала она.
Университет штата Пенсильвания почти 10 лет создавал детекторы и анализировал сигналы нейтрино, объяснила Виссель, и добавила, что её команда в настоящее время разрабатывает и создаёт новый крупный детектор. Новый детектор, получивший название PUEO, будет больше и лучше улавливать сигналы нейтрино, сказала Виссель, и, как она надеется, 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 ни один из них не нашли», — сказала Виссель. «Итак, прямо 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 это такое. 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:
[Пенсильванский государственный университет](https://phys.org/partners/pennsylvania-state-university/)