В феврале 2023 года подводный нейтринный телескоп KM3NeT, расположенный в Средиземном море у берегов Италии, зафиксировал событие, которое потрясло мировое научное сообщество. Детектор зарегистрировал частицу с энергией около 220 петаэлектронвольт (PeV) — это в 35 раз выше, чем энергия любых ранее наблюдавшихся нейтрино. Это событие получило обозначение KM3-230213A и стало самым энергичным нейтрино, когда-либо зарегистрированным. Однако происхождение и природа этой частицы до сих пор остаются загадкой и вызывают горячие дискуссии среди физиков.
Что такое нейтрино и почему их так сложно поймать?
Нейтрино — это элементарные частицы с почти нулевой массой и отсутствием электрического заряда, которые крайне слабо взаимодействуют с веществом. Миллиарды нейтрино проходят через наше тело каждую секунду, не оставляя следа. Чтобы их обнаружить, ученые строят огромные детекторы, способные улавливать редкие взаимодействия нейтрино с атомами вещества, приводящие к появлению вторичных частиц, например, мюонов. Именно такие мюоны и регистрирует KM3NeT, а также южнополярный детектор IceCube.
Блазар с мощными джетами в космосеPicLumen
Загадка KM3-230213A: почему IceCube не увидел эту частицу?
Парадоксально, но IceCube, который с 2011 года наблюдает сотни космических нейтрино, не зафиксировал событие, аналогичное KM3-230213A, хотя должен был. Путь частицы через Землю к KM3NeT был длиннее, чем к IceCube, что усложняет объяснение. Если бы это было обычное нейтрино, IceCube, расположенный на другом конце планеты, скорее всего, тоже бы его увидел.
Это несоответствие породило альтернативные гипотезы. Одна из них — что частица вовсе не нейтрино, а частица темной материи, которая, в отличие от нейтрино, может проходить через Землю с меньшим рассеянием, и потому была зарегистрирована только KM3NeT.
Темная материя: что это и как она связана с загадочной частицей?
Темная материя — таинственная субстанция, составляющая около 27% массы и энергии Вселенной, но не излучающая свет и не взаимодействующая с обычной материей напрямую. Ее природа до сих пор неизвестна, и ученые ищут способы ее обнаружения.
Бхупал Дев из Университета Вашингтона и его коллеги выдвинули гипотезу, что зарегистрированная частица может быть частицей темной материи, исходящей из блазара — активного ядра галактики с сверхмассивной черной дырой, испускающей мощные джеты. По их мнению, высокоэнергетические протоны в блазарах могут эффективно передавать энергию частицам темной материи, которые затем достигают Земли.
Если эта гипотеза подтвердится, нейтринные телескопы, такие как KM3NeT и IceCube, смогут стать новыми детекторами темной материи, открывая ранее недоступные возможности для изучения космоса и фундаментальных частиц.
Альтернативные объяснения и скептицизм
Концептуальное изображение частицы темной материи, проходящей через ЗемлюPicLumen
Не все ученые согласны с тем, что KM3-230213A — частица темной материи. По мнению Дэна Хупера из Университета Висконсина, с точки зрения бритвы Оккама, это скорее всего просто необычно энергичное нейтрино. Однако даже в этом случае открытие расширяет горизонты астрофизики, позволяя изучать экстремальные процессы в космосе.
Ширли Ли из Калифорнийского университета отмечает, что проверить природу частицы можно будет, если детекторы смогут различать сигналы от двух мюонов, которые должны образовываться при взаимодействии частицы темной материи, в отличие от одного мюона от нейтрино. Пока точность детекторов недостаточна для такого анализа, но это направление обещает прорыв в будущем.
Поиски источника: блазары и другие космические катаклизмы
Исследователи выделили несколько кандидатов на роль источника KM3-230213A среди блазаров, расположенных в направлении прихода частицы. Среди них — объекты, у которых наблюдались вспышки в радиодиапазоне, рентгене и гамма-лучах вблизи времени регистрации нейтрино. Однако однозначной связи пока не установлено.
Также рассматриваются и другие экзотические источники, например, первичные черные дыры, испускающие Хокинговское излучение, которое может порождать ультравысокоэнергетические частицы, включая нейтрино и, возможно, компоненты темной материи.
Значение открытия для науки и перспективы
Фиксация рекордно энергичного нейтрино или частицы темной материи — это важный шаг в астрофизике и физике элементарных частиц. Она открывает новые пути для изучения механизмов ускорения частиц в космосе, природы темной материи и структуры Вселенной.
KM3NeT, несмотря на то, что в момент открытия работал лишь на 20% своей мощности, уже продемонстрировал уникальные возможности. Совместная работа с IceCube и будущие улучшения в детекторах позволят уточнить природу таких загадочных событий.
Если гипотеза о темной материи подтвердится, это станет революцией в науке, открывая новые методы поиска и изучения невидимой составляющей Вселенной.
