За пределами Стандартной модели
ВНЕКЛАССНОЕ ЧТЕНИЕ / #7_2018
Текст: Татьяна ДАНИЛОВА
Команда NASA искала в Антарктике черные микродыры, а обнаружила космические лучи, исходящие от Земли. Эти аномальные события необъяснимы в рамках Стандартной модели. Некоторые физики считают эти лучи свидетельством существования суперсимметричной частицы.
Чуть более 10 лет назад исследователи NASA приступили к наблюдению за падающим на Землю ливнем космических лучей. В ходе экспериментов, проведенных в Антарктике, физики обнаружили нечто необъяснимое. Это нечто может изменить все наши представления о физике.
Эксперимент с так называемой Антарктической импульсной переходной антенной (ANITA), установленной на аэростате, начался в 2006 году. Тогда шар-антенна провела месяц в парении надо льдами Антарктиды. Третья версия ANITA собрана из 96 радиоантенн разного диапазона и летает над Антарктидой, собирая радиоволны с 1,3 млн. км² ледяного материка.
В июне датчики ANITA начали регистрировать супервысокоэнергетические нейтрино, взаимодействующие с ледяным щитом планеты. Эти нейтрино — след мощных катаклизмов, которые происходили и происходят в центрах галактик, близ сверхмассивных черных дыр и других удивительных мест мироздания. Они не теряют энергию, что позволяет ученым обозревать события на самых далеких расстояниях. Споры о природе этих частиц ведутся не первое десятилетие.
Советский физик Гурген Аскарьян предположил, что, взаимодействуя с плотной диэлектрической средой, высокоэнергетическая частица создает ливень вторичных заряженных частиц, излучение которых можно обнаружить стандартными радиоантеннами. В случае эксперимента ANITA это означало, что такие частицы, движущиеся быстрее света, при попадании в лед будут «тормозить», создавая пучки радиоволн при движении сквозь толщу ледника. Это взаимодействие получило название «эффект Аскарьяна». Наблюдение за такими вторичными эффектами позволяет физикам обнаруживать частицы, которые с нормальной материей взаимодействуют очень слабо или не взаимодействуют вовсе, — например, нейтрино.
Предсказанное Г. Аскарьяном явление наконец обнаружено. Скорее всего, его вызывает новый тип частиц, который ранее не регистрировали сложные и мощные ускорители.
Все радиосигналы, порожденные взаимодействием нейтрино с материей, имеют вертикальную поляризацию. В ходе эксперимента в Антарктике ANITA обнаружила то, что не наблюдалось ранее, — направленные вверх «события», напоминающие космические лучи. Вверх — то есть частица двигалась из недр Земли! Эти лучи обладали горизонтальной плоскостью поляризации, словно возникли не в космосе, а в земном ядре. С другой стороны, они больше походили на пучки электромагнитного излучения, порожденные космическими лучами в атмосфере планеты, чем на следы «подземных» нейтрино.
Благодаря Стандартной модели физики знали, что космические лучи способны достигать Земли и проникать в ее толщу. Однако, согласно этой модели, такие лучи не могут пройти планету насквозь. Каково же происхождение этих аномальных сверхвысокоэнергетических частиц, «пойманных» ANITA? Они порождение Земли или просто пронзили ее насквозь, примчавшись из неведомых далей?
Стандартная модель объясняет не всё. Например, в ней не находят адекватного объяснения такие явления, как гравитация и ускоряющееся расширение Вселенной. Физика этих явлений и объясняющие их теории выходят за рамки Стандартной модели (beyond the Standard Model, BSM). Поэтому физики-теоретики разрабатывают множество альтернативных теорий BSM. В соответствии с одной из них, взаимодействия между космическими лучами и льдом порождают черные микродыры, открывающиеся в малых размерах. Первая версия ANITA не обнаружила черных дыр, но зарегистрировала эффект Аскарьяна.
В середине сентября группа исследователей университета штата Пенсильвания опубликовала препринт статьи (принятой к публикации в американском научном журнале Physical Review D) с новой теорией, обосновывающей данные ANITA. Группа под началом физика Дерека Фокса считает, что ANITA, возможно, обнаружила свидетельство существования частицы, не предусмотренной Стандартной моделью физики.
Теория Фокса опирается на теорию BSM, называемую суперсимметрией. «Мы утверждаем, что если события ANITA правильно интерпретированы, то они объясняются существованием частицы за пределами Стандартной модели», — сказал Д. Фокс в одном из интервью. «Вероятные свойства частицы, как представляется, не противоречат — по крайней мере, отчасти — предсказанным свойствам стау-лептонов в некоторых суперсимметричных моделях».
Такая частица, как стау-лептон, должна, по-видимому, иметь связь с тау-нейтрино и тау-лептонами, потому что в конце пути она вызывает характерный атмосферный «ливень» и радиоволновой импульс. Она должна слабо взаимодействовать с нуклонами на энергиях порядка 1018 электронвольт и иметь достаточно большое время жизни, чтобы не распасться, проходя сквозь толщу Земли.
Некоторые теоретические статьи предсказывали аномальные события, которые зарегистрировал эксперимент ANITA.
Эксперимент с так называемой Антарктической импульсной переходной антенной (ANITA), установленной на аэростате, начался в 2006 году. Тогда шар-антенна провела месяц в парении надо льдами Антарктиды. Третья версия ANITA собрана из 96 радиоантенн разного диапазона и летает над Антарктидой, собирая радиоволны с 1,3 млн. км² ледяного материка.
В июне датчики ANITA начали регистрировать супервысокоэнергетические нейтрино, взаимодействующие с ледяным щитом планеты. Эти нейтрино — след мощных катаклизмов, которые происходили и происходят в центрах галактик, близ сверхмассивных черных дыр и других удивительных мест мироздания. Они не теряют энергию, что позволяет ученым обозревать события на самых далеких расстояниях. Споры о природе этих частиц ведутся не первое десятилетие.
Советский физик Гурген Аскарьян предположил, что, взаимодействуя с плотной диэлектрической средой, высокоэнергетическая частица создает ливень вторичных заряженных частиц, излучение которых можно обнаружить стандартными радиоантеннами. В случае эксперимента ANITA это означало, что такие частицы, движущиеся быстрее света, при попадании в лед будут «тормозить», создавая пучки радиоволн при движении сквозь толщу ледника. Это взаимодействие получило название «эффект Аскарьяна». Наблюдение за такими вторичными эффектами позволяет физикам обнаруживать частицы, которые с нормальной материей взаимодействуют очень слабо или не взаимодействуют вовсе, — например, нейтрино.
Предсказанное Г. Аскарьяном явление наконец обнаружено. Скорее всего, его вызывает новый тип частиц, который ранее не регистрировали сложные и мощные ускорители.
Все радиосигналы, порожденные взаимодействием нейтрино с материей, имеют вертикальную поляризацию. В ходе эксперимента в Антарктике ANITA обнаружила то, что не наблюдалось ранее, — направленные вверх «события», напоминающие космические лучи. Вверх — то есть частица двигалась из недр Земли! Эти лучи обладали горизонтальной плоскостью поляризации, словно возникли не в космосе, а в земном ядре. С другой стороны, они больше походили на пучки электромагнитного излучения, порожденные космическими лучами в атмосфере планеты, чем на следы «подземных» нейтрино.
Благодаря Стандартной модели физики знали, что космические лучи способны достигать Земли и проникать в ее толщу. Однако, согласно этой модели, такие лучи не могут пройти планету насквозь. Каково же происхождение этих аномальных сверхвысокоэнергетических частиц, «пойманных» ANITA? Они порождение Земли или просто пронзили ее насквозь, примчавшись из неведомых далей?
Стандартная модель объясняет не всё. Например, в ней не находят адекватного объяснения такие явления, как гравитация и ускоряющееся расширение Вселенной. Физика этих явлений и объясняющие их теории выходят за рамки Стандартной модели (beyond the Standard Model, BSM). Поэтому физики-теоретики разрабатывают множество альтернативных теорий BSM. В соответствии с одной из них, взаимодействия между космическими лучами и льдом порождают черные микродыры, открывающиеся в малых размерах. Первая версия ANITA не обнаружила черных дыр, но зарегистрировала эффект Аскарьяна.
В середине сентября группа исследователей университета штата Пенсильвания опубликовала препринт статьи (принятой к публикации в американском научном журнале Physical Review D) с новой теорией, обосновывающей данные ANITA. Группа под началом физика Дерека Фокса считает, что ANITA, возможно, обнаружила свидетельство существования частицы, не предусмотренной Стандартной моделью физики.
Теория Фокса опирается на теорию BSM, называемую суперсимметрией. «Мы утверждаем, что если события ANITA правильно интерпретированы, то они объясняются существованием частицы за пределами Стандартной модели», — сказал Д. Фокс в одном из интервью. «Вероятные свойства частицы, как представляется, не противоречат — по крайней мере, отчасти — предсказанным свойствам стау-лептонов в некоторых суперсимметричных моделях».
Такая частица, как стау-лептон, должна, по-видимому, иметь связь с тау-нейтрино и тау-лептонами, потому что в конце пути она вызывает характерный атмосферный «ливень» и радиоволновой импульс. Она должна слабо взаимодействовать с нуклонами на энергиях порядка 1018 электронвольт и иметь достаточно большое время жизни, чтобы не распасться, проходя сквозь толщу Земли.
Некоторые теоретические статьи предсказывали аномальные события, которые зарегистрировал эксперимент ANITA.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #7_2018