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

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

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.

Иллюстрация
Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

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.

Цепочка сигнала от темной материи, рожденной в блазаре и прибывающей в KM3NeT. Верхний ряд: неупругая модель с векторным медиатором Z'. Нижний ряд: упругая модель со скалярным медиатором φ. Столбцы показывают, слева направо: рождение темной материи в pγ-столкновениях в блазарах, рассеяние на земных ядрах и распад медиатора, в результате которого образуется наблюдаемая пара μ⁺μ⁻. 	arXiv:2505.22754 [hep-ph]
Цепочка сигнала от темной материи, рожденной в блазаре и прибывающей в KM3NeT. Верхний ряд: неупругая модель с векторным медиатором Z'. Нижний ряд: упругая модель со скалярным медиатором φ. Столбцы показывают, слева направо: рождение темной материи в pγ-столкновениях в блазарах, рассеяние на земных ядрах и распад медиатора, в результате которого образуется наблюдаемая пара μ⁺μ⁻. arXiv:2505.22754 [hep-ph]
Автор: P. S. Bhupal Dev et al. Источник: arxiv.org
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.

Предпочтительный диапазон поперечных сечений и времён жизни в системе покоя для сценариев рассеяния DM (a) 2 → 2 и (b) 2 → 3. Персиковые полосы показывают параметры, соответствующие одному событию в KM3NeT, а синие полосы показывают соответствующие события в IceCube (число событий на полосе). Различные светимости источника параметризованы так, что Lχ = L₀ × 10⁴⁸ эрг/с, и f_beam = 10³. 	arXiv:2505.22754 [hep-ph]
Предпочтительный диапазон поперечных сечений и времён жизни в системе покоя для сценариев рассеяния DM (a) 2 → 2 и (b) 2 → 3. Персиковые полосы показывают параметры, соответствующие одному событию в KM3NeT, а синие полосы показывают соответствующие события в IceCube (число событий на полосе). Различные светимости источника параметризованы так, что Lχ = L₀ x 10⁴⁸ эрг/с, и f_beam = 10³. arXiv:2505.22754 [hep-ph]
Автор: P. S. Bhupal Dev et al. Источник: arxiv.org
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.

Время жизни DM (τ_DM) показано как функция массы DM (m_DM) для обнаружения детектором KM3Net 1 события (сплошная линия) и 2 событий (пунктирная линия) в энергетическом бине, соответствующем наблюдавшемуся событию 220 ПэВ. Существующие ограничения на это пространство параметров показаны красной, синей и зеленой линиями. Зеленая сплошная линия соответствует ограничению на время жизни DM по данным IceCube. Синяя сплошная линия — это ограничение по p−p̄ от распада DM (включая астрофизические сценарии), а красная сплошная линия соответствует ограничению по γ-излучению от галактического распада DM. Заштрихованные области обозначают исключенное пространство параметров. Для сравнения, пространство параметров m_DM – τ_DM также исследовано для случая обнаружения детектором IceCube 1 и 2 событий в рассматриваемом энергетическом бине. 	arXiv:2505.22754 [hep-ph]
Время жизни DM (τ_DM) показано как функция массы DM (m_DM) для обнаружения детектором KM3Net 1 события (сплошная линия) и 2 событий (пунктирная линия) в энергетическом бине, соответствующем наблюдавшемуся событию 220 ПэВ. Существующие ограничения на это пространство параметров показаны красной, синей и зеленой линиями. Зеленая сплошная линия соответствует ограничению на время жизни DM по данным IceCube. Синяя сплошная линия — это ограничение по p−p̄ от распада DM (включая астрофизические сценарии), а красная сплошная линия соответствует ограничению по γ-излучению от галактического распада DM. Заштрихованные области обозначают исключенное пространство параметров. Для сравнения, пространство параметров m_DM — τ_DM также исследовано для случая обнаружения детектором IceCube 1 и 2 событий в рассматриваемом энергетическом бине. arXiv:2505.22754 [hep-ph]
Автор: P. S. Bhupal Dev et al. Источник: arxiv.org
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!

1 комментарий

M
Опять Джамшут погрел шаурму в микроволновке?

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Наш прямой предок появился на 200 000 лет раньше: что скрывали забытые кости из Дримолена

Значительная часть важных палеонтологических открытий происходит не в экспедициях, а во время работы с уже собранными коллекциями. Окаменелые кости после извлечения из породы часто годами лежат в...

В желудке тигровой акулы нашли дикобраза. Как наземное животное оказалось в море

Дикобраз идёт среди кустарников, а где-то у побережья проплывает тигровая акула. Я бы не стала искать между ними связь: слишком уж разные у них места обитания. Но в исследовании питания акул у...

Два воспринимаемых мира илистого прыгуна: почему рыба теряет нюх на суше и зрение под водой

Рыбам, которые выбираются из воды на воздух, приходится перестраивать органы чувств. Воздух и вода отличаются показателем преломления света, плотностью и вязкостью, а ещё растворимостью и...

Как живут в Супай, самом изолированном поселении США

У слова «изоляция» дурная слава. В умах людей всплывает либо недавняя самоизоляция во время пандемии, в которой, прямо скажем, хорошего было мало, либо изоляция кабелей в электрике, где, как...

Раритеты СССР, которые могут быть у вас дома: 6 вещей с неожиданной ценностью

При разборе старого шкафа легко оставить семейные фотографии, а остальное отправить в коробку «на выброс». Между тем коллекционный интерес иногда представляют самые неприметные предметы: советский...

Бюджетный способ попробовать костную проводимость с ИИ: обзор наушников Sanag B77S Pro Max

Костная проводимость звука — технология, которую сложно оценить по обычным характеристикам. В таких наушниках звук воспринимается не совсем привычным способом, а сама конструкция...