Нейтрино рекордної енергії може бути першою ознакою вибуху первинної чорної діри

Космічна загадка неймовірно високоенергійного нейтрино вирішена за допомогою моделі чорних дір з «темним зарядом».

Про це розповідають в Массачусетському університеті в Амхерсті (UMass Amherst), передають OstanniPodii.com.

У 2023 році субатомна частинка, яка називається нейтрино, врізалася в Землю з такою високою енергією, що це мало бути неможливим. Насправді у Всесвіті не існує жодного відомого джерела, здатного виробляти таку енергію — у 100 000 разів більшу, ніж найенергійніша частинка, коли-небудь вироблена Великим адронним колайдером, найпотужнішим у світі прискорювачем частинок. Однак група фізиків з UMass Amherst нещодавно висунула гіпотезу, що щось подібне може статися, коли вибухає особливий вид чорної діри, який називається «квазіекстремальна первинна чорна діра».

У новому дослідженні, опублікованому в журналі Physical Review Letters, група не тільки пояснює неможливе в іншому випадку нейтрино, але й показує, що елементарна частинка може розкрити фундаментальну природу Всесвіту.

Чорні діри існують, і астрофізики добре розуміють їх життєвий цикл: стара велика зоря вичерпує своє паливо, вибухає в надзвичайно потужній надновій і залишає після себе область простору-часу з настільки сильною гравітацією, що ніщо, навіть світло, не може з неї вирватися. Ці чорні діри неймовірно важкі і, по суті, стабільні.

Але, як зазначив фізик Стівен Гокінг у 1970 році, інший вид чорної діри — первинна чорна діра (PBH) — може утворитися не в результаті колапсу зорі, а в результаті первинних умов Всесвіту незабаром після Великого вибуху. Наразі PBH існують лише в теорії та, як і звичайні чорні діри, мають таку величезну щільність, що майже ніщо не може вирватися з них — саме це робить їх «чорними». Однак, попри свою щільність, PBH можуть бути набагато легшими за чорні діри, які ми спостерігали досі. Крім того, Гокінг показав, що PBH можуть повільно випромінювати частинки через те, що зараз відомо як «випромінювання Гокінга», якщо вони нагріються достатньо.

«Чим легша чорна діра, тим гарячішою вона повинна бути й тим більше частинок вона випромінює», — каже Андреа Тамм, співавтор нового дослідження та доцент фізики в UMass Amherst. «Коли PBH випаровуються, вони стають все легшими й гарячішими, випускаючи ще більше випромінювання в нестримному процесі аж до вибуху. Саме це випромінювання Гокінга можуть виявити наші телескопи».

Якщо такий вибух буде спостерігатися, це дасть нам остаточний каталог усіх субатомних частинок, що існують, включаючи ті, які ми спостерігали, такі як електрони, кварки та бозони Хіггса, ті, про які тільки висували гіпотези, як частинки темної матерії, а також все інше, що досі є повністю невідомим для науки. Команда UMass Amherst раніше показала, що такі вибухи можуть відбуватися з дивовижною частотою — приблизно кожне десятиліття — і якщо ми будемо уважні, наші сучасні інструменти спостереження за космосом зможуть зареєструвати ці вибухи.

Поки що все це лише теорія.

Потім, у 2023 році, експеримент під назвою KM3NeT Collaboration зафіксував це неможливе нейтрино — саме той вид доказів, який, за гіпотезою команди UMass Amherst, ми могли б незабаром побачити.

Але була одна проблема: подібний експеримент під назвою IceCube, також створений для фіксації високоенергетичних космічних нейтрино, не тільки не зареєстрував цю подію, але й ніколи не фіксував нічого навіть зі сотою частиною її потужності. Якщо Всесвіт відносно насичений PBH, і вони часто вибухають, чи не повинні ми бути засипані високоенергетичними нейтрино? Чим можна пояснити цю розбіжність?

«Ми вважаємо, що PBH з «темним зарядом» — те, що ми називаємо квазіекстремальними PBH — є відсутньою ланкою», — каже Жоакім Ігуаз Хуан, доктор філософії з фізики в UMass Amherst та один зі співавторів роботи. Темний заряд — це, по суті, копія звичайної електричної сили, яку ми знаємо, але яка включає дуже важку гіпотетичну версію електрона, яку команда називає «темним електроном».

«Існують інші, простіші моделі PBH», — каже Майкл Бейкер, співавтор і доцент фізики в UMass Amherst; «наша модель темного заряду є більш складною, що означає, що вона може надати більш точну модель реальності. Найцікавіше те, що наша модель може пояснити це інакше незрозуміле явище».

«PBH з темним зарядом, — додає Тамм, — має унікальні властивості й поводиться інакше, ніж інші, простіші моделі PBH. Ми показали, що це може дати пояснення всім, на перший погляд, суперечливим експериментальним даним».

Команда впевнена, що їхня модель PBH з темним зарядом не тільки може пояснити нейтрино, але й відповісти на загадку темної матерії. «Спостереження галактик і космічного мікрохвильового фону свідчать про існування певного виду темної матерії», — каже Бейкер.

«Якщо наша гіпотеза про темний заряд є правдивою, — додає Ігуаз Хуан, — то ми вважаємо, що може існувати значна популяція PBH, що відповідатиме іншим астрофізичним спостереженням і пояснюватиме всю відсутню темну матерію у Всесвіті».

«Спостереження високоенергетичного нейтрино було неймовірною подією», — підсумовує Бейкер. «Це відкрило нам нове вікно у Всесвіт. Але зараз ми можемо бути на порозі експериментального підтвердження випромінювання Гокінга, отримання доказів існування як первинних чорних дір, так і нових частинок, що виходять за межі Стандартної моделі, та розгадки таємниці темної матерії».