По данным международной исследовательской группы, в которую входят ученые из Пенсильванского университета, детектор космических частиц в Антарктиде испустил серию странных сигналов, которые противоречат современным представлениям о физике элементарных частиц. Необычные радиоимпульсы были обнаружены в ходе эксперимента Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA) - комплекса приборов, установленных на воздушных шарах высоко над Антарктидой и предназначенных для обнаружения радиоволн от космических лучей, попадающих в атмосферу.
Цель эксперимента - получить представление о далеких космических событиях путем анализа сигналов, достигающих Земли. По словам команды, сигналы — разновидность радиоволн — не отражались ото льда, а, по-видимому, исходили из-за горизонта, что не может быть объяснено современным пониманием физики элементарных частиц и может указывать на новые типы частиц или взаимодействий, ранее неизвестных науке. Исследователи опубликовали свои результаты в журнале Physical Review Letters.
"Радиоволны, которые мы обнаружили, проходили под очень крутыми углами, примерно на 30 градусов ниже поверхности льда", - сказала Стефани Виссел, доцент кафедры физики, астрономии и астрофизики, которая работала в команде ANITA, занимавшейся поиском сигналов от неуловимых частиц, называемых нейтрино.
Она объяснила, что, по их расчетам, аномальный сигнал должен был пройти через тысячи километров горной породы и взаимодействовать с ней, прежде чем достичь детектора, что должно было сделать радиосигнал необнаружимым, поскольку он был бы поглощен горной породой. "Это интересная проблема, потому что у нас до сих пор нет объяснения, что это за аномалии, но мы знаем, что они, скорее всего, не представляют собой нейтрино", - сказал Виссел.
Нейтрино - тип частиц, не имеющих заряда и обладающих наименьшей массой среди всех субатомных частиц, - широко распространены во Вселенной. Нейтринные сигналы, которые обычно испускаются высокоэнергетическими источниками, такими как Солнце, или крупными космическими событиями, такими как вспышка сверхновой или даже Большой взрыв, присутствуют повсюду. Однако проблема с этими частицами заключается в том, что их, как известно, очень трудно обнаружить, объяснил Виссел.
"Через ноготь вашего большого пальца в любой момент проходит миллиард нейтрино, но нейтрино на самом деле не взаимодействуют", - сказала она. "Итак, это проблема обоюдоострого подхода. Если мы их обнаруживаем, это означает, что они прошли весь этот путь, не взаимодействуя ни с чем другим. Мы могли бы обнаружить нейтрино, исходящее с края наблюдаемой Вселенной".
Как только эти частицы будут обнаружены и прослежены до их источника, они смогут рассказать о космических событиях больше, чем даже самые мощные телескопы, добавил Виссел, поскольку частицы могут перемещаться беспрепятственно и почти со скоростью света, давая подсказки о космических событиях, которые произошли на расстоянии световых лет.
Виссел и команды исследователей по всему миру работают над разработкой и изготовлением специальных детекторов, позволяющих улавливать чувствительные сигналы нейтрино даже в относительно небольших количествах. Даже один небольшой сигнал от нейтрино содержит огромное количество информации, поэтому все данные имеют значение, сказала она.
"Мы используем радиодетекторы, чтобы попытаться построить действительно очень большие нейтринные телескопы, чтобы мы могли отслеживать довольно низкую ожидаемую частоту событий", - сказал Виссел, который разработал эксперименты по обнаружению нейтрино в Антарктиде и Южной Америке.
ANITA - один из таких детекторов, и он был установлен в Антарктиде, поскольку вероятность возникновения помех от других сигналов невелика. Для улавливания сигналов излучения радиодетектор на воздушном шаре отправляется пролетать над участками льда, фиксируя так называемые ледяные дожди.
"У нас есть эти радиоантенны на воздушном шаре, который летает на высоте 40 километров надо льдами Антарктиды", - сказал Виссел. "Мы направляем наши антенны на лед и ищем нейтрино, которые взаимодействуют во льду, создавая радиоизлучение, которое затем мы можем обнаружить с помощью наших детекторов".
Эти особые взаимодействующие со льдом нейтрино, называемые тау-нейтрино, производят вторичную частицу, называемую тау-лептоном, которая высвобождается из льда и распадается - физический термин, обозначающий то, как частица теряет энергию при перемещении в пространстве и распадается на свои составляющие. Это приводит к выбросам, известным как воздушные ливни.
"Если бы они были видны невооруженным глазом, воздушные потоки могли бы выглядеть как бенгальский огонь, летящий в одном направлении, за которым тянутся искры", - объяснил Виссел. Исследователи могут различать два сигнала — ледяной и воздушный потоки — для определения характеристик частицы, которая создала сигнал.
Затем эти сигналы можно проследить до их источника, подобно тому, как мяч, брошенный под определенным углом, предсказуемо отскочит назад под тем же углом, сказал Виссел. Однако недавние аномальные находки не могут быть прослежены таким образом, поскольку угол наклона намного острее, чем предсказывают существующие модели.
Проанализировав данные, собранные в ходе нескольких полетов ANITA, и сравнив их с математическими моделями и обширным моделированием как обычных космических лучей, так и восходящих воздушных потоков, исследователи смогли отфильтровать фоновый шум и исключить возможность других известных сигналов, основанных на частицах.
Затем исследователи сопоставили сигналы от других независимых детекторов, таких как эксперимент IceCube и обсерватория Пьера Оже, чтобы выяснить, были ли получены данные о восходящих воздушных потоках, подобных тем, которые были обнаружены ANITA, в ходе других экспериментов.
Анализ показал, что другие детекторы не зарегистрировали ничего, что могло бы объяснить то, что обнаружила ANITA, что заставило исследователей описать сигнал как "аномальный", что означает, что частицы, вызывающие сигнал, не являются нейтрино, объяснил Виссел.
По ее словам, сигналы не укладываются в стандартную картину физики элементарных частиц, и хотя несколько теорий предполагают, что это может быть намек на темную материю, отсутствие последующих наблюдений с помощью IceCube и Auger действительно сужает возможности.
Виссел объяснила, что университет Пенсильвании строит детекторы и анализирует сигналы нейтрино уже почти 10 лет, и добавила, что в настоящее время ее команда разрабатывает и строит следующий большой детектор. По словам Виссела, новый детектор, получивший название PUEO, будет больше и лучше обнаруживать сигналы нейтрино, и мы надеемся, что он прольет свет на то, что именно представляет собой аномальный сигнал.
"Я предполагаю, что вблизи льда, а также вблизи горизонта возникает какой-то интересный эффект распространения радиосигнала, который я не до конца понимаю, но мы, безусловно, исследовали некоторые из них, и нам пока не удалось обнаружить ни одного из них", - сказал Виссел.
"Итак, на данный момент это одна из давних загадок, и я рад, что, когда мы полетим на ПУЭО, у нас будет лучшая чувствительность. В принципе, мы должны обнаружить больше аномалий, и, возможно, мы действительно поймем, что это такое. Мы также могли бы обнаружить нейтрино, что в некотором смысле было бы гораздо интереснее".
Другим соавтором работы из университета Пенсильвании является Эндрю Зеолла, кандидат наук по физике.
