Марина Наумова, Университет штата Пенсильвания. под редакцией Гэби Кларк , рецензент Роберт Эган
Детектор космических частиц в Антарктиде излучил ряд странных сигналов, которые бросают вызов современному пониманию физики частиц, согласно международной исследовательской группе, в которую входят ученые из Университета штата Пенсильвания. Необычные радиоимпульсы были обнаружены экспериментом Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA), набором приборов, размещенных на воздушных шарах высоко над Антарктидой, которые предназначены для обнаружения радиоволн от космических лучей, попадающих в атмосферу.
Цель эксперимента — получить представление о далеких космических событиях, анализируя сигналы, достигающие Земли. Вместо того чтобы отражаться ото льда, сигналы — форма радиоволн — по-видимому, исходили из-под горизонта, ориентация, которую невозможно объяснить с помощью нынешнего понимания физики элементарных частиц, и которая может указывать на новые типы частиц или взаимодействия, ранее неизвестные науке, заявила команда.
Результаты своих исследований исследователи опубликовали в журнале Physical Review Letters .
« Радиоволны , которые мы обнаружили, шли под очень крутыми углами, примерно на 30 градусов ниже поверхности льда», — сказала Стефани Виссел, доцент кафедры физики, астрономии и астрофизики, работавшая в команде ANITA, которая искала сигналы от неуловимых частиц, называемых нейтрино .
Она объяснила, что по их расчетам аномальный сигнал должен был пройти и взаимодействовать с тысячами километров горных пород, прежде чем достичь детектора, в результате чего радиосигнал должен был стать необнаружимым, поскольку он был бы поглощен породой. «Это интересная проблема, потому что у нас до сих пор нет объяснения того, что представляют собой эти аномалии, но мы знаем, что они, скорее всего, не представляют собой нейтрино», — сказал Виссел.
Нейтрино, тип частиц без заряда и наименьшая масса среди всех субатомных частиц, широко распространены во Вселенной. Обычно испускаемые источниками высокой энергии, такими как Солнце, или крупными космическими событиями, такими как сверхновые или даже Большой взрыв, нейтринные сигналы присутствуют повсюду. Однако проблема с этими частицами в том, что их, как известно, трудно обнаружить, объяснил Виссель.
«У вас есть миллиард нейтрино, проходящих через ваш ноготь в любой момент, но нейтрино на самом деле не взаимодействуют», — сказала она. «Так что это проблема о двух концах. Если мы их обнаружим, это будет означать, что они прошли весь этот путь, не взаимодействуя ни с чем другим. Мы могли бы обнаружить нейтрино, приходящее с края наблюдаемой вселенной».
Виссель добавил, что после обнаружения и отслеживания источника эти частицы могут раскрыть больше информации о космических событиях, чем даже самые мощные телескопы, поскольку частицы могут перемещаться беспрепятственно и почти со скоростью света, давая подсказки о космических событиях, произошедших на расстоянии в световые годы. Виссель и группы исследователей по всему миру работали над проектированием и созданием специальных детекторов для захвата чувствительных сигналов нейтрино, даже в относительно небольших количествах. Даже один небольшой сигнал от нейтрино содержит в себе кладезь информации, поэтому все данные имеют значение, сказала она. «Мы используем радиодетекторы, чтобы попытаться построить действительно очень большие нейтринные телескопы, чтобы мы могли отслеживать довольно низкую ожидаемую частоту событий», — сказал Виссел, который разработал эксперименты по обнаружению нейтрино в Антарктиде и Южной Америке.
ANITA — один из таких детекторов, и он был размещен в Антарктиде, поскольку там маловероятно возникновение помех от других сигналов. Чтобы захватить сигналы излучения, радиодетектор на воздушном шаре отправляется в полет над участками льда, фиксируя то, что называется ледяными ливнями. «Эти радиоантенны у нас на воздушном шаре, который летит на высоте 40 километров надо льдом в Антарктиде», — сказал Виссель. «Мы направляем наши антенны вниз на лед и ищем нейтрино, которые взаимодействуют со льдом, производя радиоизлучение, которое мы затем можем обнаружить на наших детекторах». Эти особые нейтрино, взаимодействующие со льдом, называемые тау-нейтрино, производят вторичную частицу, называемую тау-лептоном, которая высвобождается изо льда и распадается, физический термин, описывающий то, как частица теряет энергию, путешествуя в пространстве и распадаясь на свои составляющие. Это производит выбросы, известные как атмосферные ливни. Если бы они были видны невооруженным глазом, воздушные ливни могли бы выглядеть как бенгальский огонь, которым машут в одном направлении, с искрами, тянущимися за ним, объяснил Виссель. Исследователи могут различать два сигнала — ледяные и воздушные ливни — чтобы определить атрибуты частицы, которая создала сигнал. Эти сигналы затем можно отследить до их происхождения, подобно тому, как мяч, брошенный под углом, предсказуемо отскочит обратно под тем же углом, сказал Виссель. Однако недавние аномальные открытия не могут быть отслежены таким образом, поскольку угол намного острее, чем предсказывают существующие модели.
Кредит: Стефани Виссел / Университет штата Пенсильвания.
Проанализировав данные, собранные в ходе многочисленных полетов ANITA, и сравнив их с математическими моделями и обширными результатами моделирования как обычных космических лучей , так и восходящих атмосферных ливней, исследователи смогли отфильтровать фоновый шум и исключить возможность наличия других известных сигналов, связанных с частицами. Затем исследователи сравнили сигналы с других независимых детекторов, таких как IceCube Experiment и обсерватория Пьера Оже, чтобы проверить, были ли получены данные от восходящих атмосферных ливней , подобных тем, что обнаружил ANITA, в ходе других экспериментов. Анализ показал, что другие детекторы не зарегистрировали ничего, что могло бы объяснить обнаруженное ANITA, что позволило исследователям описать сигнал как «аномальный», что означает, что частицы, вызывающие сигнал, не являются нейтрино, пояснил Виссель. По ее словам, сигналы не вписываются в стандартную картину физики элементарных частиц, и хотя несколько теорий предполагают, что это может быть намеком на темную материю, отсутствие последующих наблюдений с помощью IceCube и Auger действительно сужает возможности.
Виссел объяснила, что Penn State строит детекторы и анализирует сигналы нейтрино уже около 10 лет, и добавила, что ее команда в настоящее время проектирует и строит следующий большой детектор. Новый детектор , называемый PUEO, будет больше и лучше обнаруживать сигналы нейтрино, сказала Виссел, и он, как мы надеемся, прольет свет на то, что именно представляет собой аномальный сигнал. «Я предполагаю, что вблизи льда, а также вблизи горизонта происходит какой-то интересный эффект распространения радиоволн, который я не до конца понимаю, но мы, безусловно, исследовали несколько из них, и нам пока не удалось обнаружить ни одного из них», — сказал Виссель. «Так что сейчас это одна из давних загадок, и я рад, что когда мы полетим на PUEO, у нас будет лучшая чувствительность. В принципе, мы должны обнаружить больше аномалий, и, возможно, мы действительно поймем, что это такое. Мы также могли бы обнаружить нейтрино, что было бы в некотором смысле гораздо более захватывающим».
Другим соавтором из Университета штата Пенсильвания является Эндрю Зеолла, докторант по физике.
Дополнительная информация: A. Abdul Halim et al, Поиск аномальных событий, обнаруженных ANITA с помощью обсерватории Пьера Оже, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.121003
Информация о журнале: Physical Review Letters
Предоставлено Университетом штата Пенсильвания