Несколько лет назад ученые зафиксировали серию необъяснимых радиоимпульсов, поступавших из Антарктиды. Международная научная группа, включающая специалистов из Пенсильванского университета, сообщила о странных находках, сделанных антенной ANITA между 2016 и 2018 годами. Этот комплекс приборов, размещенный на высотных аэростатах над антарктическими льдами, предназначался для изучения космических лучей, однако зафиксировал нечто совершенно неожиданное.
Инструмент регистрировал радиоволны, возникающие при столкновении космических частиц с земной атмосферой. Однако некоторые обнаруженные сигналы вели себя аномально. Вместо того чтобы отражаться от ледяной поверхности, как предсказывают существующие модели, эти импульсы словно исходили снизу, из-под горизонта. Такое поведение противоречило современным представлениям физики элементарных частиц и заставило исследователей предположить возможность существования неизвестных науке типов частиц или взаимодействий.
Поиски объяснения загадочного феномена
Для разгадки тайны специалисты обратились к данным обсерватории имени Пьера Оже в Аргентине. Проанализировав пятнадцатилетний массив информации о космических лучах, международный коллектив попытался пролить свет на природу обнаруженных сигналов. Результаты исследования были опубликованы в научном издании Physical Review Letters.
Стефани Виссел, профессор физики, астрономии и астрофизики, которая работала в команде ANITA, отметила необычность зафиксированных радиоволн. Они приходили под крутыми углами, примерно тридцать градусов ниже поверхности льда. Хотя происхождение этих событий остается неясным, новое исследование показало, что подобные явления не наблюдались другими экспериментами с длительным периодом наблюдений. Это не указывает на новую физику, но добавляет важную информацию к общей картине.
Расчеты продемонстрировали, что для достижения детектора необычный сигнал должен был пройти сквозь тысячи километров твердой породы. При обычных обстоятельствах такое путешествие полностью поглотило бы радиоволны, сделав их обнаружение невозможным.
Нейтрино и проблемы их детектирования
Виссел подчеркнула интригующий характер проблемы. Пока не существует объяснения для этих аномалий, но известно, что они, скорее всего, не связаны с нейтрино. Эти частицы не имеют заряда и обладают наименьшей массой среди всех субатомных частиц, при этом они чрезвычайно распространены во Вселенной. Обычно их испускают высокоэнергетические источники вроде Солнца или крупные космические события, такие как сверхновые или даже Большой взрыв.
Проблема с нейтрино заключается в их крайне слабом взаимодействии с материей, что делает их обнаружение невероятно сложным. Миллиарды этих частиц ежемоментно проходят сквозь любую поверхность, включая человеческое тело, но почти не взаимодействуют с веществом. Именно это свойство делает их такими ценными для науки. Если детектор фиксирует нейтрино, это означает, что частица преодолела огромное расстояние, не провозаимодействовав ни с чем другим. Теоретически можно зарегистрировать нейтрино, прилетевшее с края наблюдаемой Вселенной.
Окно в далекие космические события
После обнаружения и определения источника эти частицы могут рассказать о космических событиях больше, чем самые мощные телескопы. Нейтрино перемещаются практически беспрепятственно и почти со скоростью света, предоставляя информацию о явлениях, произошедших на расстоянии световых лет от Земли.
Виссел вместе с исследовательскими группами по всему миру занимается разработкой и созданием специальных детекторов для регистрации слабых сигналов от нейтрино. Даже один небольшой сигнал от такой частицы содержит огромное количество информации, поэтому каждое наблюдение имеет значение. Ученые используют радиодетекторы для создания масштабных нейтринных телескопов, способных фиксировать события с очень низкой ожидаемой частотой.
ANITA представляет собой один из таких детекторов. Его разместили в Антарктиде из-за минимального риска помех от других сигналов. Радиодетектор на воздушном шаре запускают над ледяными просторами для регистрации так называемых ледяных ливней. Радиоантенны размещают на аэростате, который поднимается на высоту сорок километров над антарктическим льдом. Антенны направлены вниз на лед и ищут нейтрино, взаимодействующие со льдом и производящие радиоизлучение, которое затем улавливают детекторы.
Особенности тау-нейтрино и воздушных ливней
Специальные нейтрино, взаимодействующие со льдом и называемые тау-нейтрино, порождают вторичную частицу под названием тау-лептон. Эта частица высвобождается изо льда и распадается, теряя энергию при движении в пространстве и распадаясь на составные части. Этот процесс создает излучение, известное как воздушные ливни.
Если бы эти явления были видимы невооруженным глазом, воздушные ливни напоминали бы бенгальский огонь, движущийся в одном направлении с искрами, тянущимися за ним. Исследователи различают два типа сигналов: ледяные и воздушные ливни, что позволяет определить характеристики частицы, создавшей сигнал.
Эти сигналы затем прослеживаются до их источника, подобно тому как брошенный под углом мяч предсказуемо отскакивает под тем же углом. Однако аномальные находки невозможно отследить таким образом, поскольку угол значительно круче, чем предсказывают существующие модели.
Анализ данных и исключение альтернатив
Путем анализа данных, собранных в ходе нескольких полетов ANITA, и сравнения их с математическими моделями и обширным моделированием как обычных космических лучей, так и восходящих воздушных ливней, исследователи смогли отфильтровать фоновый шум и исключить возможность других известных сигналов, основанных на частицах.
Затем ученые сопоставили сигналы с данными других независимых детекторов, таких как эксперимент IceCube и обсерватория Пьера Оже, чтобы проверить, регистрировали ли другие установки восходящие воздушные ливни, похожие на обнаруженные ANITA.
Анализ показал, что другие детекторы не зафиксировали ничего, что могло бы объяснить наблюдения ANITA. Это привело исследователей к описанию сигнала как аномального, что означает, что частицы, вызвавшие сигнал, не являются нейтрино. Когда сигналы были впервые обнаружены, появились теории о том, что они не вписываются в стандартную картину физики частиц. Другие предполагали, что это может быть намек на темную материю, но недавнее отсутствие наблюдений в IceCube и Auger действительно сужает возможности.
Планы на будущее и новый детектор
Команды работают над проектами с воздушными шарами уже более десяти лет. В настоящее время группа Виссел занимается проектированием и созданием следующего крупного детектора. Новый инструмент под названием PUEO будет больше и лучше справляться с обнаружением сигналов нейтрино. Исследователи надеются, что он прольет свет на природу аномального сигнала.
Виссел предполагает, что возможен какой-то интересный эффект распространения радиоволн вблизи льда и около горизонта, который пока не до конца понятен. Хотя несколько таких эффектов уже изучались, найти подходящее объяснение пока не удалось. На данный момент это остается одной из давних загадок. Ученые с нетерпением ждут полета PUEO, который обеспечит лучшую чувствительность. В принципе, новый детектор должен помочь лучше понять эти аномалии, что станет важным шагом к пониманию фоновых помех и, в конечном итоге, к обнаружению нейтрино в будущем.