Запрещенный фотон против Эйнштейна: частица света прошла сквозь Вселенную вопреки законам физики

Девятого октября 2022 года астрономические обсерватории зарегистрировали исключительно мощный всплеск гамма-излучения, получивший обозначение GRB 221009A. Источником излучения стал гравитационный коллапс массивной звезды и последующее формирование черной дыры. Событие произошло на расстоянии более двух миллиардов световых лет от Земли, что в астрофизике выражается величиной космологического красного смещения, равной приблизительно ноль целых сто пятьдесят одна тысячная.

Интенсивность излучения оказалась рекордной за всю историю наблюдений. Орбитальные телескопы Swift и Fermi зафиксировали колоссальный поток энергии, вызвавший насыщение их приемных матриц. Однако главный теоретический парадокс обнаружился при анализе данных, полученных наземными детекторами частиц.

Китайский высокогорный комплекс LHAASO зафиксировал тысячи фотонов с энергиями выше пятисот гигаэлектронвольт, включая частицы с энергией до восемнадцати тераэлектронвольт. Один тераэлектронвольт равен триллиону электронвольт. Для сравнения: энергия квантов оптического излучения, воспринимаемого человеческим глазом, составляет всего от двух до трех электронвольт.

Спустя один час и пятнадцать минут после начала регистрации всплеска российская установка «Ковер-3», расположенная в Баксанском ущелье на Северном Кавказе и принадлежащая Институту ядерных исследований Российской академии наук, зарегистрировала вторичный атмосферный каскад частиц. Расчет показал, что этот каскад был порожден единичным первичным фотоном с колоссальной энергией: около трехсот тераэлектронвольт.

Согласно существующим законам квантовой электродинамики и стандартной космологии, этот фотон не имел никакой возможности достичь поверхности Земли. Вероятность его беспрепятственного прохождения сквозь межгалактическую среду составляет величину порядка единицы, деленной на десять в девяносто шестой степени. В физике такое число эквивалентно абсолютному запрету.

В фундаментальном исследовании теоретиков Джорджо Галанти и Марко Ронкаделли показано: наблюдаемый факт находит строгое научное объяснение только в том случае, если современная физика откажется от абсолютной симметрии пространства-времени и признает факт нарушения принципа лоренц-инвариантности, лежащего в основе специальной теории относительности.

Механизм поглощения излучения в межгалактическом пространстве

Космическое пространство между галактиками заполнено электромагнитными полями низкой частоты. Основную их часть составляют два компонента:

• Внегалактический фоновый свет, представляющий собой совокупное ультрафиолетовое, оптическое и инфракрасное излучение всех звезд и галактик за время их эволюции.
• Реликтовое излучение, возникшее в эпоху первичной рекомбинации вещества на ранних этапах расширения Вселенной. Плотность этого микроволнового фона составляет около четырехсот одиннадцати фотонов на каждый кубический сантиметр объема космоса.

Когда гамма-квант сверхвысокой энергии распространяется в межгалактической среде, он неизбежно сталкивается с низкоэнергетическими фотонами фона. В квантовой электродинамике такое столкновение приводит к реакции Брейта — Уиллера: два взаимодействующих фотона исчезают, а их энергия переходит в массу образующейся электрон-позитронной пары.

Для протекания этой реакции требуется соблюдение кинематического порога. Суммарная энергия двух сталкивающихся частиц должна быть не меньше удвоенной массы покоя электрона. Из законов кинематики следует, что чем выше энергия первичного гамма-кванта, тем меньшая энергия требуется от фонового фотона для образования пары вещества и антивещества.

Для фотонов с энергией порядка десяти тераэлектронвольт основным источником поглощения служат инфракрасные кванты фонового света. Однако для кванта с энергией триста тераэлектронвольт порог реакции смещается настолько низко, что для аннигиляции становится достаточно энергии повсеместно распространенного реликтового микроволнового излучения.

На пути в два миллиарда световых лет фотон с энергией триста тераэлектронвольт должен был многократно испытать подобное столкновение и распасться на электроны и позитроны. Оптическая толща среды для таких расстояний и энергий превышает две сотни единиц, что снижает вероятность выживания фотона до исчезающе малой величины. Регистрация частицы наземным детектором прямо указывает на то, что расчетная модель межгалактического поглощения дает сбой.

Достоверность измерений установки «Ковер-3»

Перед проверкой фундаментальных теорий ученые исключили вероятность приборной или методической ошибки.

Основным источником фонового шума для наземных детекторов служат космические лучи адронной природы: протоны и ядра атомов. Попадая в атмосферу, высокоэнергетический протон порождает широкий атмосферный ливень, который по структуре распределения частиц на поверхности Земли может напоминать ливень, вызванный первичным фотоном.

Однако состав вторичных частиц в этих двух процессах принципиально различается. Протон взаимодействует с ядрами газов воздуха посредством сильного ядерного взаимодействия. В ходе таких столкновений в большом количестве рождаются заряженные пи-мезоны. Распад этих мезонов приводит к образованию высокоэнергетических мюонов, которые благодаря своей массе и слабому взаимодействию легко достигают поверхности планеты и проникают глубоко под землю.

Фотон взаимодействует с атмосферой исключительно через электромагнитное взаимодействие. В таком каскаде рождаются почти исключительно электроны, позитроны и вторичные кванты света. Заряженные пи-мезоны практически не возникают, вследствие чего число мюонов в электромагнитном ливне стремится к нулю.

Установка «Ковер-3» включает в себя не только поверхностные сцинтилляционные датчики, но и систему подземных мюонных детекторов. В событии от девятого октября 2022 года подземные датчики зафиксировали практически полное отсутствие мюонов в зарегистрированном каскаде частиц.

Вероятность того, что зарегистрированный ливень был вызван протоном, составила три десятитысячных доли единицы. Вероятность случайного совпадения события по направлению и времени прихода импульса с гамма-всплеском равна девяти тысячным. Факт регистрации фотона с энергией триста тераэлектронвольт от источника GRB 221009A признан экспериментально надежным.

Несостоятельность стандартных астрофизических гипотез

Для объяснения феномена исследователи первоначально обратились к механизмам, не требующим изменения известных законов физики.

Первой гипотезой стала концепция протонного пучка. Она предполагает, что вспышка испустила не фотоны, а ультрарелятивистские протоны с экстремальными энергиями. Протоны преодолели миллиарды световых лет без взаимодействия с реликтовым фоном, а в окрестностях нашей Галактики столкнулись с межгалактическим газом и породили вторичные гамма-кванты, которые дошли до детекторов.

Анализ параметров родительской галактики всплеска опроверг эту модель. Снимки космического телескопа «Джеймс Уэбб» показали, что вспышка произошла на расстоянии шестисот пятидесяти парсек от центра массивной спиральной галактики, ориентированной ребром относительно направления на Землю.

Это означает, что заряженные протоны должны были пройти сквозь галактический диск толщиной около шести килопарсек. В диске действует регулярное магнитное поле с напряженностью в доли микрогаусса. Лоренцева сила искривляет траекторию движения заряженных частиц, что неизбежно приводит к запаздыванию их прибытия.

Расчетное время задержки вторичных фотонов для такой геометрии составляет порядка шестидесяти тысяч секунд, то есть около семнадцати часов. Реальные данные обсерватории LHAASO показывают, что весь высокоэнергетический сигнал уложился во временное окно длительностью от шестисот семидесяти до двух тысяч секунд. Модель протонного пучка дает запаздывание, на полтора порядка превышающее наблюдаемые границы.

Второй гипотезой стала модель нейтронного пучка. Нейтроны не обладают электрическим зарядом, поэтому магнитные поля галактики не способны искривить их путь. Предполагалось, что протоны высокой энергии провзаимодействовали с излучением внутри источника, превратившись в поток нейтронов, которые затем распались или прореагировали с веществом на пути к Земле.

Однако ядерная физика связывает образование вторичных гамма-квантов в таких процессах с обязательным рождением мощного потока нейтрино высоких энергий. Нейтринный телескоп IceCube на Южном полюсе непрерывно отслеживал сектор всплеска и не зафиксировал ни одного нейтринного события. Полученные верхние пределы плотности потока нейтрино полностью исключили нейтронную модель.

Пределы возможностей аксионоподобных частиц

Следующим шагом стало привлечение физики за пределами Стандартной модели, а именно гипотезы о существовании аксионоподобных частиц. Это гипотетические сверхлегкие нейтральные бозоны с нулевым спином, существование которых предсказывается теорией суперструн.

В присутствии внешнего магнитного поля между фотонами и аксионоподобными частицами возникает смешивание квантовых состояний. Фотон приобретает способность осциллировать — то есть самопроизвольно переходить в состояние аксиона и возвращаться обратно.

Схема процесса выглядит следующим образом:

1. В сильном магнитном поле родительской галактики всплеска часть первичных гамма-квантов превращается в аксионоподобные частицы.
2. Аксионоподобная частица электрически нейтральна и не взаимодействует с фотонами реликтового излучения. Она преодолевает межгалактическое пространство без рассеяния и поглощения.
3. Достигнув магнитного поля Млечного Пути, частица испытывает обратную осцилляцию, снова превращается в гамма-квант и попадает в земной детектор.

Для фотонов с энергиями около пятнадцати тераэлектронвольт, зафиксированных комплексом LHAASO, эта схема дает корректный результат при массе аксиона порядка одной десятимиллиардной доли электронвольта. Параметры модели согласуются с существующими лабораторными ограничениями, включая результаты эксперимента CAST в ЦЕРН.

Однако при переходе к энергии триста тераэлектронвольт аксионная модель теряет объяснительную силу.

На сверхвысоких энергиях в квантовой системе начинают доминировать эффекты поляризации вакуума за счет взаимодействия виртуальных электрон-позитронных пар с магнитным полем, а также дисперсия фотонов на реликтовом фоне. Эти эффекты создают критическую разность фаз между волновой функцией фотона и волновой функцией аксиона. Длина осцилляций уменьшается, а вероятность взаимного превращения частиц падает на несколько порядков.

Расчет показывает, что математическое ожидание числа зарегистрированных фотонов с энергией триста тераэлектронвольт в аксионной модели не превышает одной десятитысячной доли единицы. Пуассоновская статистика требует величины не менее пяти сотых для подтверждения хотя бы одного зарегистрированного события с доверительной вероятностью девяносто пять процентов. Аксионы не способны объяснить баксанское событие.

Нарушение лоренц-инвариантности: кинематика процесса

Если свойства самих частиц не позволяют обойти барьер поглощения, физическая причина должна заключаться в изменении фундаментальных свойств геометрии пространства-времени.

Специальная теория относительности постулирует, что скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме фундаментальна, абсолютна и не зависит от величины энергии фотона. Это утверждение прямо следует из непрерывности пространства-времени и сохранения симметрии относительно преобразований Лоренца.

Однако теории квантовой гравитации предсказывают, что на планковских масштабах длины (порядка десяти в минус тридцать пятой степени метра) непрерывность пространства нарушается, и оно приобретает дискретную структуру.

Движение частиц с предельно высокими энергиями в такой среде приводит к эффективному нарушению лоренц-инвариантности. В уравнениях физики это выражается в модификации дисперсионного соотношения — зависимости между энергией частицы и ее импульсом. К стандартному квадрату энергии добавляется поправочный член, пропорциональный отношению энергии фотона к некоторому фундаментальному энергетическому масштабу квантовой гравитации. Поправка может быть пропорциональна этому отношению в первой степени (линейный случай) или во второй степени (квадратичный случай).

В сублюминальном сценарии знак поправки таков, что групповая скорость фотона уменьшается с ростом переносимой им энергии: сверхвысокоэнергетические фотоны распространяются медленнее фундаментальной константы скорости света.

Это изменение радикально трансформирует кинематику процесса рождения электрон-позитронных пар:

• В классической кинематике порог реакции аннигиляции жестко зафиксирован. Для его преодоления фотон в триста тераэлектронвольт может провзаимодействовать практически с любым микроволновым квантом реликтового фона.
• В модифицированной кинематике закон сохранения четырехмерного импульса содержит дополнительный член. Это эквивалентно появлению у высокоэнергетического фотона эффективной отрицательной массы. В результате минимальная энергия фонового кванта, необходимая для рождения пары, смещается в область значительно более высоких значений.

Фотон с энергией триста тераэлектронвольт больше не способен аннигилировать на типичных фотонах реликтового фона. Для протекания реакции ему требуются редкие высокочастотные фотоны из высокоэнергетического хвоста планковского распределения. Концентрация таких фотонов в межгалактическом пространстве исчезающе мала.

Сечение процесса Брейта — Уиллера падает на десятки порядков. Межгалактическая среда перестает поглощать излучение, и Вселенная становится прозрачной для гамма-квантов экстремальных энергий.

Совместная модель: объединение аксионов и модифицированной симметрии

Один лишь механизм нарушения лоренц-инвариантности не решает задачу целиком. Если подобрать масштаб нарушения так, чтобы объяснить данные установки LHAASO на энергиях пятнадцать тераэлектронвольт, такой масштаб войдет в прямое противоречие с другими экспериментальными пределами.

Джорджо Галанти и Марко Ронкаделли доказали, что наблюдательные данные разных обсерваторий находят самосогласованное объяснение только в гибридной модели:

• В диапазоне от десяти до двадцати тераэлектронвольт прозрачность пространства обеспечивается осцилляциями фотонов в аксионоподобные частицы, преодолевающими внегалактический фоновый свет.
• При энергиях около трехсот тераэлектронвольт начинает доминировать нарушение лоренц-инвариантности, отключающее механизм поглощения на реликтовом микроволновом фоне.

Авторы строго показали математическую непротиворечивость этой схемы. Если операторы нарушения лоренц-инвариантности вводятся одинаково для электромагнитного поля и для поля аксионов, структура уравнений смешивания квантовых состояний не претерпевает изменений.

Присутствие поправок порождает общий фазовый множитель в волновой функции системы, который оставляет неизменной вероятность взаимных переходов между фотонами и аксионоподобными частицами. Единственным физическим изменением в уравнениях переноса излучения становится замена стандартной длины свободного пробега квантов на модифицированную величину, учитывающую смещение энергетического порога аннигиляции.

На основе факта регистрации единичного фотона установкой «Ковер-3» авторы рассчитали границы для масштаба квантово-гравитационных эффектов с девяностопятипроцентным уровнем достоверности:

• Для линейной поправки масштаб энергии должен составлять не более одного целого двух десятых на десять в двадцать первой степени гигаэлектронвольт.
• Для квадратичной поправки масштаб энергии должен быть меньше двух целых на десять в тринадцатой степени гигаэлектронвольт.

Линейный сценарий накладывает жесткие требования: в большинстве стандартных теорий он должен вызывать вакуумное двойное лучепреломление — изменение плоскости поляризации света при распространении на космические расстояния. Поскольку поляризация оптического излучения гамма-всплесков наблюдается без аномалий, линейный член исключен во многих моделях. Однако он сохраняет силу в геометриях на основе теории струн и D-бран, где обе круговые поляризации фотона распространяются с идентичной скоростью.

Для квадратичной поправки ограничений по поляризации не существует в принципе.

Временная задержка как подтверждение теории

Второе независимое свидетельство в пользу гипотезы содержится во временных параметрах баксанского события.

Фотон с энергией триста тераэлектронвольт был зарегистрирован через четыре тысячи пятьсот тридцать шесть секунд после основного импульса всплеска, в то время как тераэлектронвольтные фотоны на установке LHAASO пришли в течение первых сотен секунд. Сигнал от детектора «Ковер-3» отстал более чем на час.

В стандартной физике взрывных астрофизических процессов трудно обосновать генерацию предельно жесткого фотона через столь длительное время: релятивистская ударная волна к этому моменту уже замедляется, а плотность излучения в эпицентре падает.

В рамках теории с нарушением лоренц-инвариантности задержка получает естественное физическое объяснение.

Поскольку групповая скорость движения частиц становится функцией их энергии, квант с энергией триста тераэлектронвольт движется медленнее, чем фотоны низких энергий. На дистанции в два миллиарда световых лет эта ничтожная разница в скорости накапливается в измеримый временной интервал.

В исследовании астрофизиков Давида Офенгейма и Цви Пирана был проведен расчет величины этого запаздывания. Оказалось, что для квадратичной модели наблюдаемая разница во времени прибытия строго соответствует энергетическому масштабу квантовой гравитации, равному приблизительно одна целая шесть десятых на десять в двенадцатой степени гигаэлектронвольт.

Эта величина находится внутри диапазона, независимо вычисленного Галанти и Ронкаделли исходя из условий прозрачности Вселенной (значение менее двух на десять в тринадцатой степени гигаэлектронвольт). Два совершенно независимых факта — преодоление поглощения на реликтовом фоне и часовое отставание фотона в пути — дали совпадающую оценку масштаба квантово-гравитационной модификации вакуума.

Взаимодействие с земной атмосферой

Применение концепции нарушения лоренц-инвариантности требует проверки механизма регистрации фотона в атмосфере Земли. Если квантовые эффекты подавляют рождение электрон-позитронных пар в космосе, они теоретически способны подавить и процесс взаимодействия кванта с веществом атмосферы. В таком случае частица прошла бы сквозь воздушную оболочку без образования ливня и осталась бы незамеченной.

В атмосфере фотон взаимодействует не с фоновыми фотонами, а с кулоновским полем атомных ядер (процесс Бете — Гайтлера). Электростатическое поле ядра выступает источником виртуальных квантов, передающих импульс, необходимый для создания пары реальных электрона и позитрона.

Галанти и Ронкаделли рассчитали модифицированное сечение процесса Бете — Гайтлера с учетом поправок на нарушение симметрии пространства-времени.

Вычисления выявили принципиальную зависимость:

• Для ультравысоких энергий свыше ста миллионов тераэлектронвольт (такими энергиями обладают гипотетические фотоны, возникающие при распаде пи-мезонов в процессах космических лучей предельных энергий) подавление взаимодействия оказывается критическим. Длина свободного пробега таких частиц в воздухе превышает десять миллионов километров. Они действительно не способны вступить во взаимодействие с атмосферой и не могут быть зафиксированы детекторами. Это снимает существовавшие ранее строгие ограничения на масштаб квантовой гравитации, базировавшиеся на ненаблюдении таких фотонов.
• Для фотона с энергией триста тераэлектронвольт длина свободного пробега в воздухе возрастает незначительно и составляет от одного до десяти километров.

Высота плотных слоев атмосферы составляет несколько десятков километров. Гамма-квант с энергией триста тераэлектронвольт гарантированно вступает в электромагнитное взаимодействие с ядрами азота или кислорода на большой высоте, порождая электрон-позитронный каскад, зафиксированный детекторами установки «Ковер-3».

Итоги и значение открытия

Регистрация единичного кванта сверхвысокой энергии от всплеска GRB 221009A демонстрирует пределы применимости существующих моделей фундаментальной физики.

Классическая квантовая электродинамика в сочетании со стандартной космологией не может объяснить регистрацию этого события: межгалактическое пространство на дистанциях в миллиарды световых лет непроницаемо для жесткого гамма-излучения из-за аннигиляции на реликтовом микроволновом фоне.

Самосогласованное объяснение всех данных, полученных обсерваториями LHAASO и «Ковер-3», требует привлечения двух концепций, выходящих за рамки общепринятой физической картины мира:

1. Квантовых осцилляций фотонов в аксионоподобные частицы, что объясняет прохождение излучения с энергиями от десяти до двадцати тераэлектронвольт сквозь внегалактический фоновый свет.
2. Нарушения фундаментальной лоренц-инвариантности на масштабах энергии порядка десяти в двенадцатой — десяти в тринадцатой степени гигаэлектронвольт, что сдвигает кинематический порог реакции аннигиляции и делает Вселенную прозрачной для фотонов с энергией триста тераэлектронвольт.

Совпадение расчетных величин квантово-гравитационного масштаба, полученных из анализа прозрачности среды и из прямого измерения времени задержки сигнала, служит сильным аргументом в пользу предложенной теоретической схемы.

Если будущие наблюдения сверхмощных гамма-всплесков черенковскими телескопами нового поколения подтвердят эти выводы, физика получит первое экспериментальное доказательство того, что пространство-время обладает внутренней дискретной структурой, а специальная теория относительности представляет собой лишь приближение более общей теории, описывающей квантовое устройство Вселенной.

Источник: arXiv