Частица света пролетела 2 млрд лет, нарушив законы физики, чтобы достичь Земли 

Фото из открытых источников

Отдельная частица света преодолела более двух миллиардов световых лет в космическом тумане и не должна была пережить это путешествие. Теперь физики считают, что этот невозможный фотон может быть первым признаком того, что физика Эйнштейна перестаёт работать при экстремальных энергиях.

9 октября 2022 года два космических телескопа, Swift и Fermi, зафиксировали самый яркий гамма-всплеск из когда-либо зарегистрированных. Исследователи дали ему прозвище BOAT — «самый яркий за всю историю» — официальное обозначение GRB 221009A.

Взрыв произошёл в галактике, расположенной примерно в 2 миллиардах световых лет от нас, а это значит, что его свет распространился в космосе ещё до того, как на Земле зародилась сложная жизнь.

Этот взрыв направил в нашу сторону поток фотонов, и обсерватории по всей планете три года изучали их. Почти весь этот свет вел себя точно так, как и предсказывалось. Один фотон — нет.

Этот выброс был обнаружен детектором космических лучей «Ковер» в Баксанской обсерватории в Кавказских горах России. Его энергия: примерно 300 тераэлектронвольт (ТэВ) — более чем в 20 раз превышающая энергию, достигаемую при столкновениях протонов на Большом адронном коллайдере, самом мощном ускорителе частиц, когда-либо построенном человечеством. Это самая высокая энергия, когда-либо зарегистрированная для фотона от гамма-всплеска.

В этом и проблема. Космос не пуст. Он заполнен космическим микроволновым фоном, остаточным послесвечением Большого взрыва, присутствующим повсюду. Фотон такой энергии, преодолевающий такое большое расстояние, имеет подавляющую вероятность столкнуться с одним из этих фоновых фотонов, превратиться в другие частицы и не завершить свой путь. Теоретически, фотон с энергией 300 ТэВ от GRB 221009A должен был быть уничтожен задолго до того, как достиг Баксана.

Джорджо Галанти, астрофизик из Национального института астрофизики Италии (INAF) и ведущий автор нового исследования, недавно опубликованного в журнале Physical Review Letters, сравнивает это с попыткой выстрелить стрелой сквозь лес глубиной в 2 миллиарда световых лет, не задев ни одной ветки. По его словам, согласно стандартной физике, этого не должно было произойти. Но это произошло, несмотря ни на что.

Это не первый случай, когда астрономы сталкиваются с подобной аномалией. Для объяснения менее энергичных аномальных фотонов физики уже предлагали гипотетические частицы, называемые аксионоподобными частицами, или АЛП — сверхлегкими частицами, которые теоретически могли бы позволить фотону на короткое время замаскироваться под что-то другое в середине пути, избежать столкновений, которые обычно его уничтожают, а затем снова превратиться в фотон, приблизившись к Млечному Пути.

Эта идея достаточно хорошо работала для фотонов в диапазоне десятков ТэВ. Она перестаёт работать при 300 ТэВ. Согласно расчётам Галанти и Ронкаделли, даже при самых благоприятных предположениях, одни только ALP предсказывают примерно в 100 раз меньше фотонов, чем потребовалось бы для объяснения одного обнаружения уровня «ковра».

Поэтому Галанти и его соавтор, Марко Ронкаделли из Национального института ядерной физики Италии (INFN), добавили к этому вторую, гораздо более радикальную идею: крошечный разрыв в лоренцевской инвариантности — принципе, лежащем в основе специальной теории относительности Эйнштейна, согласно которому законы физики кажутся одинаковыми для каждого наблюдателя независимо от его движения.

Некоторые модели квантовой гравитации — пока ещё не доказанной концепции, которая объединила бы гравитацию с квантовой механикой, — предсказывают, что эта симметрия может начать слегка изменяться при достаточно высоких энергиях. Если это правда, то фотоны сверхвысокой энергии будут подчиняться не совсем тем же правилам, что и всё остальное, и некоторые из них смогут проскальзывать сквозь столкновения, которые, согласно обычной физике, должны быть неизбежными.

Преимущество этой модели заключается не только в том, что она объясняет, почему фотон выжил, но и в том, что она делает второе, проверяемое предсказание. Если эффект реален, то фотон с энергией 300 ТэВ должен был прибыть примерно на час позже, чем фотоны с более низкой энергией из того же всплеска, которые были зарегистрированы отдельно китайской обсерваторией LHAASO (Большая высотная обсерватория атмосферных ливней).

Именно эта задержка и проявляется в данных. Отдельный, независимый анализ физиков Дениса Офенгайма и Цви Пирана, цитируемый в той же статье, дал совместимую оценку для той же временной задержки — совпадение, которое усиливает, но не доказывает, сценарий нарушения Лоренца.

Самое интересное в нашей работе то, что она впервые объединяет две идеи, которые ранее разрабатывались по отдельности, — сказал Ронкаделли. — Если этот сценарий подтвердится будущими наблюдениями, Вселенная станет естественной лабораторией для проверки квантовой гравитации при энергиях, намного превышающих те, которые может достичь ускоритель, построенный на Земле.

Важное замечание: весь этот случай основан на одном фотоне, обнаруженном одним прибором, с небольшой, но реальной вероятностью того, что то, что зафиксировал Карпет, на самом деле было ошибочно идентифицированным адроном, а не фотоном. Авторы открыто об этом заявляют. В статье они также исключают более традиционные объяснения — например, дополнительный механизм излучения в источнике, — отмечая, что для устранения разрыва таким образом потребовалось бы отклонение в лежащей в основе физике более чем на 90 порядков величины, что значительно превышает возможности любого известного процесса.

Расчеты Галанти и Ронкаделли установили верхние пределы того, где может проявиться эта новая физика — энергетический масштаб нарушения Лоренца выше примерно 1,2 × 10²¹ ГэВ в простейшей («линейной») версии модели или выше 2,0 × 10¹³ ГэВ в альтернативной («квадратичной») версии, причем оба значения с 95%-ной вероятностью.

На данный момент фотон, обнаруженный с помощью BOAT, остается скорее открытым вопросом, чем окончательно установленным открытием. Потребуется больше гамма-всплесков и больше обнаружений высокоэнергетических частиц, прежде чем кто-либо сможет сказать, является ли это подлинной трещиной в более чем вековой физике или же единичным, необычайным статистическим стечением обстоятельств.