Нейтрино рекордной энергии может быть первым признаком взрыва первичной черной дыры

Космическая загадка невероятно высокоэнергетического нейтрино решена с помощью модели черных дыр с «темным зарядом».

Об этом рассказывают в Массачусетском университете в Амхерсте (UMass Amherst), передают OstanniPodii.com.

В 2023 году субатомная частица, называемая нейтрино, врезалась в Землю с такой высокой энергией, что это должно было быть невозможным. На самом деле во Вселенной не существует ни одного известного источника, способного производить такую энергию — в 100 000 раз большую, чем самая энергичная частица, когда-либо произведенная Большим адронным коллайдером, самым мощным в мире ускорителем частиц. Однако группа физиков из UMass Amherst недавно выдвинула гипотезу, что нечто подобное может произойти, когда взрывается особый вид черной дыры, который называется «квазиэкстремальная первичная черная дыра».

В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, группа не только объясняет невозможное в другом случае нейтрино, но и показывает, что элементарная частица может раскрыть фундаментальную природу Вселенной.

Черные дыры существуют, и астрофизики хорошо понимают их жизненный цикл: старая большая звезда исчерпывает свое топливо, взрывается в чрезвычайно мощной сверхновой и оставляет после себя область пространства-времени с настолько сильной гравитацией, что ничто, даже свет, не может из нее вырваться. Эти черные дыры невероятно тяжелые и, по сути, стабильные.

Но, как отметил физик Стивен Хокинг в 1970 году, другой вид черной дыры — первичная черная дыра (PBH) — может образоваться не в результате коллапса звезды, а в результате первичных условий Вселенной вскоре после Большого взрыва. В настоящее время PBH существуют только в теории и, как и обычные черные дыры, имеют такую огромную плотность, что почти ничто не может вырваться из них — именно это делает их «черными». Однако, несмотря на свою плотность, PBH могут быть намного легче черных дыр, которые мы наблюдали до сих пор. Кроме того, Хокинг показал, что PBH могут медленно излучать частицы из-за того, что сейчас известно как «излучение Хокинга», если они нагреются достаточно.

«Чем легче черная дыра, тем горячее она должна быть и тем больше частиц она излучает», — говорит Андреа Тамм, соавтор нового исследования и доцент физики в UMass Amherst. «Когда PBH испаряются, они становятся все легче и горячее, испуская еще больше излучения в безудержном процессе вплоть до взрыва. Именно это излучение Хокинга могут обнаружить наши телескопы».

Если такой взрыв будет наблюдаться, это даст нам окончательный каталог всех существующих субатомных частиц, включая те, которые мы наблюдали, такие как электроны, кварки и бозоны Хиггса, те, о которых только выдвигали гипотезы, как частицы темной материи, а также все остальное, что до сих пор является полностью неизвестным для науки. Команда UMass Amherst ранее показала, что такие взрывы могут происходить с удивительной частотой — примерно каждое десятилетие — и если мы будем внимательны, наши современные инструменты наблюдения за космосом смогут зарегистрировать эти взрывы.

Пока все это только теория.

Затем, в 2023 году, эксперимент под названием KM3NeT Collaboration зафиксировал это невозможное нейтрино — именно тот вид доказательств, который, по гипотезе команды UMass Amherst, мы могли бы вскоре увидеть.

Но была одна проблема: подобный эксперимент под названием IceCube, также созданный для фиксации высокоэнергетических космических нейтрино, не только не зарегистрировал это событие, но и никогда не фиксировал ничего даже с сотой частью его мощности. Если Вселенная относительно насыщена PBH, и они часто взрываются, разве мы не должны быть засыпаны высокоэнергетическими нейтрино? Чем можно объяснить это несоответствие?

«Мы считаем, что PBH с «темным зарядом» — то, что мы называем квазиэкстремальными PBH — является недостающим звеном», — говорит Жоаким Игуаз Хуан, доктор философии по физике в UMass Amherst и один из соавторов работы. Темный заряд — это, по сути, копия обычной электрической силы, которую мы знаем, но она включает очень тяжелую гипотетическую версию электрона, которую команда называет «темным электроном».

«Существуют другие, более простые модели PBH», — говорит Майкл Бейкер, соавтор и доцент физики в UMass Amherst; «наша модель темного заряда является более сложной, что означает, что она может предоставить более точную модель реальности. Самое интересное, что наша модель может объяснить это иначе непонятное явление».

«PBH с темным зарядом, — добавляет Тамм, — обладает уникальными свойствами и ведет себя иначе, чем другие, более простые модели PBH. Мы показали, что это может дать объяснение всем, на первый взгляд, противоречивым экспериментальным данным».

Команда уверена, что их модель PBH с темным зарядом не только может объяснить нейтрино, но и ответить на загадку темной материи. «Наблюдения галактик и космического микроволнового фона свидетельствуют о существовании определенного вида темной материи», — говорит Бейкер.

«Если наша гипотеза о темном заряде верна, — добавляет Игуаз Хуан, — то мы считаем, что может существовать значительная популяция PBH, которая будет соответствовать другим астрофизическим наблюдениям и объяснять всю недостающую темную материю во Вселенной».

«Наблюдение высокоэнергетического нейтрино было невероятным событием», — заключает Бейкер. «Это открыло нам новое окно во Вселенную. Но сейчас мы можем быть на пороге экспериментального подтверждения излучения Хокинга, получения доказательств существования как первичных черных дыр, так и новых частиц, выходящих за пределы Стандартной модели, и разгадки тайны темной материи».

• Черные дыры
• нейтрино