Исследователи из США проанализировали данные, собранные астрофизической обсерваторией ANITA на антарктической станции «Амундсен — Скотт». Они пришли к выводу, что два аномальных события, зарегистрированных в 2006 и 2014 годах практически невозможно объяснить в рамках Стандартной модели, то есть общепринятой на сегодня теории элементарных частиц. А вот гипотетическая частица под названием стау-лептон как раз могла бы проявить себя именно таким образом — пролетев через всю Землю насквозь и затем породив целый каскад других (уже хорошо известных) частиц.
В препринте своей статьи, уже принятой к публикации в Physical Letters D, физики указывают, что существование стау-лептона было давно предсказано теоретиками, однако серьезных свидетельств в пользу его реального существования не поступало. Причина тому самая прозаическая: эта частица должна иметь энергию на много порядков выше, чем доступные даже самым лучшим ускорителям значения («1 порядок» это «в 10 раз», а «2 порядка» уже 100). Те события, которые ученые зафиксировали в Антарктиде, соответствуют частице с энергией около 1018 электронвольт. Для сравнения: Большой адронный коллайдер способен разогнать протоны «всего» до нескольких тераэлектронвольт (1 ТэВ = 1012), в сотни тысяч раз меньше.
Частицы столь большой энергии на Землю попадают только из космоса — их источниками могут быть экстремальные астрофизические процессы вроде поглощения вещества черными дырами или даже какие-то еще неизвестные феномены. Космические лучи сверхвысоких энергий попадают в нашу планету довольно редко, но ради их регистрации по всему миру создано несколько специальных детекторов, включая эксперимент ANITA в Антарктиде.
Аномалии на воздушном шаре
ANITA представляет собой воздушный шар, к которому подвешено 40 антенн, связанных с чувствительным радиоприемником. Приемник настроен таким образом, что может регистрировать импульсы радиоволн, возникающие при взаимодействии с атмосферой или льдом различных элементарных частиц — в первую очередь, нейтрино.
Нейтрино могут обычно свободно пролетать через всю Землю, не задерживаясь ни горными породами, ни какими-либо иными материалами. Это происходит потому, что нейтрино не может взаимодействовать ни с электромагнитным полем, ни с сильным полем, которое «склеивает» вместе как кварки, так и состоящие из кварков частицы. Единственное поле, которое взаимодействует с нейтрино, это слабое поле, а оно распространяется только на очень маленькие расстояния. Для того чтобы слабо провзаимодействовать, частицы должны практически идеально точно попасть друг по другу — это как попасть пулей в пулю (тут мы должны сказать спасибо за метафору Владимиру Кекелидзе, директору Лаборатории физики высоких энергий в дубнинском ОИЯИ), а это в естественных условиях крайне маловероятное событие.
Но способность нейтрино взаимодействовать с другими частицами резко возрастает при увеличении энергии частицы. Расчеты показывают (и ряд экспериментов это очень хорошо подтверждает), что нейтрино с энергией в 1018 электронвольт уже не сможет пролететь сквозь Землю, а «взорвется» в атмосфере, вызвав целый ливень частиц — их-то и зафиксируют детекторы, подобные «Аните».
Оборудование на борту воздушного шара ANITA позволяет достаточно точно определять, откуда же именно прилетели частицы. Сталкиваясь с атомами в воздухе, внутри льда или в горной породе на глубине, нейтрино запускали лавину из других частиц и создавали радиоимпульс, по которому можно вычислить первоначальное направление движения. Как и следовало ожидать, за все время работы — а с 2006 года ANITA неоднократно запускали в антарктическое небо — абсолютное большинство событий, то есть срабатываний детектора, относилось к нейтрино «с неба».
Но особенное внимание исследователей привлекли две записи. Первое из них, событие ANITA-I #3 985 267 (римская I обозначает самый первый рабочий запуск воздушного шара), произошло чуть позже полуночи 28 декабря 2006 года, в самой середине рабочего сезона — в декабре на Южном полюсе царит полярный день, поэтому большинство ученых приезжает на станции именно в это время. Система обработки сигнала вычислила, что частица пришла со стороны созвездия Геркулеса, имела энергию не менее 200 тысяч ТэВ (или 0,2 ЭэВ, две десятых экзоэлектронвольта; обычно приставка «экзо» в «нормальной» науке себя не находит). Все вместе это совершенно невозможное сочетание. Хотя бы потому, что созвездия Геркулеса на небе в тот момент просто не было: оно, как и подобает созвездию Северного полушария, было где-то за горизонтом. Или, точнее, не «где-то», а под углом 27 градусов ниже горизонта, так что, чтобы попасть в Антарктиду, это нейтрино, по оценкам ученых, должно было пролететь внутри Земли 5740±60 километров.
Напомним, что созвездие — это участок неба, а не реальная совокупность звезд. В одном созвездии могут быть как близкие к нам звезды, так и расположенные в миллиардах световых лет позади них галактики. Созвездия позволяют ориентироваться на небесной сфере, поэтому такое условное деление сохранилось по сей день с античных времен. Источники частиц сверхвысоких энергий, замеченные на ANITA, вероятно, находятся за пределами Галактики.
Второе аномальное событие — ANITA-III #15 717 147. Снова летний сезон, но уже 2014 год и третий по счету запуск аппарата. Каждый раз воздушный шар запускали на много суток, и, держась на высоте более тридцати километров, он успевал собрать достаточно много данных. 20 декабря детектор поймал сигнал, пришедший из созвездия Персея, которое снова было скрыто за горизонтом, оказавшись на уровне уже все 35 градусов ниже горизонта. Нейтрино с энергией не менее 0,33 ЭэВ пролетело 7210±55 километров в толще Земли, вышло где-то под льдами Антарктиды и вышибло ливень частиц, радиоимпульс от которого ушел в стратосферу и был пойман чувствительными приборами.
Что это было?
И если цепочка событий после распада этих двух частиц известна достаточно неплохо, то вот о самих частицах этого сказать нельзя. Расчеты, конечно, оставляют небольшой шанс для нейтрино столь высокой энергии пролететь подобное расстояние сквозь Землю, но этот шанс столь мал, что совокупная вероятность встретить одно событие за время всей работы ANITA — меньше сотой процента.
А если учесть, что таких событий было два, то версия «это были просто очень удачливые нейтрино» окажется столь же убедительна, как объяснение «я выиграл эти деньги в лотерею: купил билетик и сразу взял приз».
Вероятность выиграть в лото, вычеркнув правильным образом 6 клеток из 45, в тысячу раз больше, чем шанс найти два таких нейтрино сверхвысоких энергий, которым посчастливилось пролететь земной шар и ни с чем не провзаимодействовать. Она составляет 10-12, так что эту версию физики всерьез уже не рассматривают.
Но что же это было, если не нейтрино? Все остальные частицы обладают еще меньшей «проникающей способностью», поэтому два отмеченных события ставят физиков в тупик. В своей публикации исследователи указывают, что они провели детальное моделирование взаимодействия нейтрино сверхвысоких энергий с Землей — результат этих расчетов представлен выше, шансы на двукратный сквозной пролет стремятся к нулю. Объяснение вида «где-то плохо соединили кабели» (а такая чисто техническая ошибка в свое время изрядно попортила жизнь итальянским физикам, которые тоже работали с нейтрино, и у них частицы почему-то развивали сверхсветовые скорости) тут тоже кажется неубедительным. ANITA перебирали, модернизировали, и все прочие события выглядят так, как и должны выглядеть в случае с правильно отлаженным оборудованием.
На Земле существуют и другие нейтринные обсерватории, способные регистрировать частицы сверхвысоких энергий, одна из таких обсерваторий находится на том же Южном полюсе (детекторы нейтринной обсерватории IceCube вморожены в скважины глубоко подо льдом), поэтому значительная часть данных ANITA проверяема и воспроизводима. Можно предположить, что направление полета частицы было вычислено неверно, но тогда возникает вопрос: почему такая ошибка произошла только дважды, а все остальные частицы, пойманные детектором, прилетели так, как положено?
Если это не сбой, не досадная ошибка, которую пропустили десятки квалифицированных специалистов, и не совпадение двух запредельно невероятных событий, то остается только одно. Это новая частица, причем элементарная, а не составная.
И это по-настоящему важное открытие. Последняя элементарная частица в составе Стандартной модели, известный даже неспециалистам бозон Хиггса, был экспериментально открыт в 2012 году при экспериментах на Большом адронном коллайдере, а последний из кварков, t-кварк, нашли в 1995 году в Фермилабе. После бозона Хиггса перечень частиц, предсказанных Стандартной моделью, закрывается — все, что идет сверх того, автоматически оказывается Новой физикой.
Уточним: составные частицы, те, которые объединяют элементарные в тех или иных комбинациях, открывают постоянно. Буквально в этом месяце стало известно про обнаружение еще двух таких частиц на все том же Большом адронном коллайдере, но большого ажиотажа это не вызвало даже у физиков.
Суперсимметричный партнер
Пока что наиболее вероятная кандидатка на титул «первой ласточки Новой физики» — частица по имени стау-нейтрино. Нейтрино в Стандартной модели бывают трех типов: электронное, мюонное и тау. Все они могут превращаться друг в друга (процесс превращений называют также нейтринными осцилляциями), а некоторые теории предсказывают дополнительные частицы — например, суперсимметричных партнеров уже известных нейтрино.
Суперсимметричные партнеры нейтрино нельзя путать со стерильными нейтрино — те тоже гипотетические, в пользу их существования в этом году получены осторожные намеки, но стерильное нейтрино во всех моделях намного легче.
Суперсимметрия — это концепция, согласно которой каждой элементарной частице должна соответствовать некая пара. Сейчас все частицы делятся на строительные блоки материи, то есть фермионы (кварки + электрон + мюон + тау-частица + все нейтрино) и бозоны, то есть кванты полей, при помощи которых фермионы взаимодействуют (фотон, глюон, W- и Z-бозоны, бозон Хиггса); суперсимметрия приписывает каждому фермиону суперпартнера в виде бозона и каждый бозон в этой же концепции получает такого же суперпартнера-фермиона. Увязать известные бозоны и фермионы в такие пары нельзя, поэтому из суперсимметрии следует удвоение числа частиц.
Стау-нейтрино, оно же тау-снейтрино («с-», соответственно, берется от «суперпартнера»), должно быть не одно — за ним обязаны последовать скварки, суперсимметричные партнеры кварка, хиггсино (то же самое, но для бозона Хиггса) и многое другое.
Почему никого из них до сих пор никто не нашел? Ответ на этот вопрос звучит так: эксперименты на ускорителях ведутся уже давно и уже ясно, что все суперпартнеры должны иметь гораздо большую массу. А это означает, что обнаружить такую частицу, создав ее при столкновении, скажем, протонов, будет сложно: нужно, чтобы энергия столкновения была больше массы покоя искомой частицы. Если масса суперпартнеров исчисляется десятками тераэлектронвольт, то Большой адронный коллайдер с его максимальной энергией в 14 ТэВ не может нам его «сварить» — только дать ограничение снизу на массу этих гипотетических частиц, указать, что они не могут быть легче определенной величины.
Возможно, суперсимметричные частицы и вправду существуют, но наблюдать их можно только в процессах с энергиями на порядки выше доступных человечеству. В этом случае детекторы, подобные ANITA, приведут нас за пределы Стандартной модели и к ответу на важнейшие вопросы, которые уже измучили физиков (да и нас с вами). Скрытые частицы способны разрешить загадку темной материи, про которую мы знаем только то, что она обладает массой и именно ее масса вносит решающий вклад в массу Вселенной. Суперпартнеры известных частиц не могут не играть важную роль в тех событиях, которые происходили сразу после Большого Взрыва. Проще говоря, без них нельзя составить цельной картины мира на самом фундаментальном уровне.
Алексей Тимошенко