Самые высокоэнергетические частицы настолько редки и особенные, что получают собственные имена. В 1991 году была зафиксирована самая энергетически мощная частица из когда-либо обнаруженных — с энергией 3,2×10²⁰ электрон-вольт, что эквивалентно 320 миллиардам масс-покоя протона. Эту частицу назвали частицей "О-Господи" (Oh-My-God particle). В 2023 году была зарегистрирована еще одна космическая частица с ультравысокой энергией, составлявшей 75% от рекордной.
Космический луч — это элементарная частица с высокой энергией, часто протон, движущийся почти со скоростью света. Космические лучи с ультравысокой энергией обладают уровнями энергии, которые более чем в миллион раз превышают те, что достигаются в самых мощных ускорителях частиц, созданных человеком. Космические лучи с энергией в сотни миллиардов масс-покоя протона встречаются крайне редко — менее одной частицы на квадратный километр в столетие. Они могут указывать на новую физику, если порождаются неизвестными физическими процессами, которые позволяют им преодолевать гораздо большие расстояния, чем предполагалось ранее.
Протоны с энергией выше пятидесяти миллиардов масс-покоя теряют энергию на космологических расстояниях в результате образования пионов при рассеянии на космическом микроволновом фоне — реликтовом излучении, оставшемся после Большого взрыва. Этот так называемый эффект Грайзена–Затсепина–Кузьмина (GZK-эффект) назван в честь трёх физиков, впервые указавших на него в 1966 году.
Какие же частицы с наивысшей энергией производятся во Вселенной? Мы не знаем, потому что наши детекторы могут фиксировать космические лучи только в том случае, если частота их попадания на Землю составляет менее одного случая на десять квадратных километров за столетие. Наивысший теоретический предел, не ведущий к гравитационному коллапсу и образованию черной дыры, — это энергия Планка, которая превышает массу-покой протона на 19 порядков. Частицы с энергией Планка могут существовать, но для их обнаружения за разумный временной отрезок нужны детекторы, значительно превышающие размеры Земли. Также возможно, что частицы с чрезвычайно высокой энергией действительно создаются во Вселенной, но теряют её по пути к Земле. Слабо взаимодействующие частицы, такие как нейтрино, способны лучше сохранять свою энергию во время путешествия по космосу, чем протоны.
13 февраля 2023 года нейтрино с энергией, в 120 миллионов раз превышающей массу-покой протона, было обнаружено телескопом нейтрино Кубического километра (KM3NeT) — это сеть стеклянных сфер, регистрирующих вспышки света, вызванные мюонами на дне Средиземного моря. Мюоны непрерывно «дождём» падают на поверхность Земли, так как они образуются при столкновении космических лучей с молекулами воздуха. Но иногда космическое нейтрино, сталкивающееся с поверхностью планеты, также порождает мюон. Частица, зарегистрированная KM3NeT, двигалась почти горизонтально относительно поверхности Земли и шла с востока, в сторону Греции.
Откуда пришло это нейтрино? Возможности включают столкновение более энергетического космического луча с космическим микроволновым фоном. Оно также могло возникнуть в результате ускорения частиц в релятивистских потоках около сверхмассивных черных дыр в центрах галактик или при рождении черной дыры звёздной массы, известной тем, что создаёт релятивистские струи и вспышки высокоэнергетических фотонов в виде гамма-всплесков. В сотрудничестве с Эли Ваксманом я опубликовал статью, в которой предполагалось, что нейтрино с энергиями, достижимыми в лучших наземных ускорителях — таких как Большой адронный коллайдер CERN, — могут производиться при взрыве сверхновой, когда ударная волна прорывается через поверхность взрывающейся звезды. В последующей работе мы наложили ограничения на фабрики нейтрино с более высокими энергиями во Вселенной, независимо от их природы.
KM3NeT зафиксировал рекордное нейтрино с помощью 21 нитевидного детектора. С тех пор было добавлено еще 12 нитей, что увеличило частоту обнаруживаемых событий и точность соответствующих измерений. Общая стоимость проекта составляет около 364 миллионов долларов. Эти расходы направлены на обнаружение продуктов космических ускорителей. Если бы мы попытались создать подобные частицы в лабораторных условиях, стоимость оказалась бы астрономически выше.
Существует спекулятивная возможность, что мы регистрируем нейтрино высокой энергии, производимые ускорителем, созданным более развитой научной цивилизацией, возможно, в соседней галактике. Мощность и стоимость такого ускорителя увеличивались бы с расстоянием. Здесь, на планете Земля, CERN недавно объявил о планах по созданию самого большого ускорителя за всю историю — так называемого Будущего кольцевого коллайдера (Future Circular Collider). Ускоритель будет расположен в туннеле с окружностью 90,7 километра, а его разработка потребует примерно 800 000 человеко-лет труда. При должном финансировании он может начать работу в 2070-х годах, а стоимость оценивается в 17 миллиардов долларов.
Инопланетяне могут быть более амбициозными в своих научных планах, чем люди, благодаря своей повышенной любознательности и осознанию практических выгод науки. Возможно, они поняли, что научный прогресс помогает им выжить в космосе, защищаясь от хищников. Если это так, они могли разработать скрытые космические корабли и электромагнитно-невидимые технологии связи, основанные на их высокоэнергетических ускорителях. Примеры таких невидимых сигналов могут включать частицы тёмной материи или волны тёмной энергии. В процессе достижения энергий, необходимых для создания этих сигналов, такие цивилизации могут также производить остаточные побочные частицы, которые наши телескопы воспринимают как нейтрино или космические лучи с высокой энергией.
Если вы хотите читать больше интересных историй, подпишитесь пожалуйста на наш телеграм канал: https://t.me/deep_cosmos