«Невозможная» частица пронзила Землю. Ученые подозревают, что это была первая встреча с темной материей

Представьте себе: глубоко под водой, у берегов Италии, суперсовременный детектор частиц KM3NeT, еще даже не достроенный до конца, вдруг фиксирует нечто из ряда вон выходящее. Событие 2023 года, которое заставило ученых по всему миру оживленно зашептаться. Прилетела частица. Да не простая, а с такой энергией, что дух захватывает — в 35 раз мощнее всего, что мы видели до этого! Что это было? Небесный гость-рекордсмен или предвестник чего-то совершенно нового?

Что за гость такой незваный?

Первая мысль ученых, конечно же, была о нейтрино. Этих ребят не зря называют «частицами-призраками». Они крошечные, почти не имеют массы и крайне неохотно взаимодействуют с чем-либо. Миллиарды их проносятся сквозь нас каждую секунду, а мы и не замечаем. Именно поэтому ловить их — та еще задачка. Детекторы вроде KM3NeT или его «коллеги» IceCube, зарытого во льдах Антарктиды, работают по принципу «космического бильярда»: когда нейтрино все-таки врезается в атом вещества (воды или льда), рождается другая частица — мюон. Вот его-то и засекают чувствительные приборы.

Так вот, KM3NeT увидел такой мюон, который указывал на прародителя с просто запредельной энергией. Откуда он прилетел? Может, из далекой галактики с активной черной дырой в центре — так называемого блазара? Или это отголосок какого-то общего высокоэнергетического нейтринного «шума» Вселенной? Вопросы, вопросы…

Нейтрино? Да, но есть нюанс…

И все бы ничего, обычное дело для физики частиц — поймать что-то необычное и потом долго чесать в затылке. Но тут возникла неувязочка. IceCube, гораздо более крупный и давно работающий детектор, который тоже должен был бы «услышать» такой мощный сигнал, если бы он шел из того же источника… промолчал. Как так? Если где-то во Вселенной «стрельнула» такая нейтринная «пушка», почему один детектор ее заметил, а другой — нет? Это как если бы от мощного взрыва задрожали стекла в одном доме, а в соседнем, с такими же окнами, — тишина. Странно, не правда ли?

И вот тут-то на сцену выходит Бхупал Дэв из Вашингтонского университета в Сент-Луисе со своей командой. Они предложили идею, которая звучит почти как научная фантастика, но, черт возьми, многое объясняет.

А если это… темная материя?

«А что, если это был вовсе не нейтрино?» — говорят Дэв и его коллеги. Что, если это была частица темной материи? Той самой загадочной субстанции, которая, по расчетам астрофизиков, составляет львиную долю всей массы во Вселенной, но которую мы до сих пор не можем «пощупать» напрямую.

Их гипотеза звучит так: частица темной материи, рожденная в том самом блазаре, врезалась в нашу планету. Почему же тогда KM3NeT ее увидел, а IceCube — нет? А вот тут самое интересное. Предполагаемая траектория частицы была такой, что для достижения итальянского детектора ей пришлось пролететь через значительно большую толщу Земли, чем для детектора на Южном полюсе.

«Темная материя проходит через большое количество земного вещества, — объясняет Дэв, — и мы можем объяснить, почему IceCube ее не увидел». Иными словами, чем длиннее путь частицы сквозь Землю, тем больше у нее шансов (если это частица темной материи с определенными свойствами) провзаимодействовать и породить тот самый мюон, который засекли. Для нейтрино же толщина пройденного слоя Земли не так критична в этом контексте. Плюс, по расчетам Дэва, высокоэнергетические протоны в блазарах могут передавать свою энергию частицам темной материи даже эффективнее, чем нейтрино.

Это, конечно, не значит, что все остальные сотни нейтрино, пойманные IceCube и KM3NeT, тоже были темной материей. Вовсе нет, они, скорее всего, были именно нейтрино. Но вот этот конкретный, «невозможный» случай… он выбивается из общей картины.

Осторожный скепсис и большие надежды

Конечно, научное сообщество пока не спешит кричать «Эврика!». Дэн Хупер из Висконсинского университета в Мэдисоне, например, склоняется к более простому объяснению, вспоминая «бритву Оккама» (принцип, гласящий, что не следует плодить сущности без необходимости). «Вероятно, это просто обычное нейтрино, но с исключительно высокой энергией», — говорит он. И это тоже вполне возможно. Природа любит подкидывать нам статистические аномалии.

Но, как добавляет сам Хупер, если гипотеза о темной материи верна, это было бы… ну, просто гигантским прорывом! Мы бы не только впервые напрямую «увидели» частицу темной материи, но и получили бы совершенно новый инструмент для ее изучения. Представляете, нейтринные телескопы превращаются в детекторы темной материи! «Все были бы в восторге», — мечтательно заключает Хупер.

Как же докопаться до истины?

Наука — это не про веру, а про проверку. Идея Дэва, какой бы захватывающей она ни была, требует подтверждений. И они, возможно, появятся. Ширли Ли из Калифорнийского университета в Ирвайне указывает на интересный способ проверки: если это действительно была частица темной материи, то при столкновении с Землей она, по некоторым моделям, должна была бы породить не один, а сразу два мюона.

Загвоздка в том, что нынешние детекторы пока не обладают достаточной точностью, чтобы отличить сигнал от одного мюона от сигнала от двух, если они летят очень близко друг к другу. «Это потенциально проверяемо, — говорит Ли, — но при таких энергиях реконструкция мюонов — задача не из легких».

Так что же мы имеем в сухом остатке? Загадочное событие, которое всколыхнуло мир физики. Одну очень смелую гипотезу, которая, если подтвердится, перевернет наши представления о Вселенной. И четкий путь для дальнейших исследований.

Наука — это всегда немного детектив. И сейчас мы с вами наблюдаем за расследованием одного из самых интригующих «космических дел». Кто знает, может, совсем скоро мы узнаем, что же за «невозможная» частица навестила нашу планету и была ли это действительно первая встреча с неуловимой темной материей. А пока — будем следить за новостями. Ведь самое интересное, как всегда, только начинается!