Высоко в небе над бескрайними ледяными просторами Антарктиды гигантский научный аэростат ловил сигналы из глубин космоса. Ученые ожидали увидеть частицы, падающие на Землю сверху. Но приборы зафиксировали нечто неожиданное — частицы, которые вырывались прямо из-под толщи льда. Эти сигналы, обнаруженные в 2016 и 2018 годах, казалось, нарушали все известные законы физики. Объяснение, предложенное теоретиками, оказалось столь же невероятным, как и само открытие: возможно, ученые нашли доказательства существования параллельной вселенной, родившейся вместе с нашей, но где время течет в обратном направлении. Возможно ли вообще такое?
Поиск ответов на фундаментальные вопросы мироздания часто приводит ученых в самые экстремальные уголки планеты. Антарктида, с ее чистейшим ледяным покровом и минимальными радиопомехами, стала идеальной обсерваторией для охоты за самыми неуловимыми космическими посланцами — нейтрино. Эти призрачные частицы, рождающиеся в термоядерных реакциях на Солнце, в недрах далеких галактик и в других высокоэнергетических процессах, почти не взаимодействуют с веществом. Миллиарды нейтрино каждую секунду проходят сквозь наше тело, не оставляя следа. Однако их способность путешествовать через космос, не отклоняясь магнитными полями, делает их бесценными свидетелями самых мощных событий во Вселенной.
Чтобы поймать этих космических «призраков», ученые запускают сложнейшие эксперименты. Один из них — Антарктическая импульсная переходная антенна, или ANITA. Это набор радиодетекторов, подвешенных к гигантскому аэростату, который месяцами дрейфует на высоте почти 40 километров над ледяным щитом. Он предназначен для поиска радиовсплесков, возникающих при взаимодействии ультра-высокоэнергетических нейтрино с антарктическим льдом.
Это столкновение порождает ливень вторичных частиц, испускающих радиоволны, которые ANITA и фиксирует. Успех этой работы позволил бы астрономам, подобно детективам, проследить траекторию нейтрино назад до его источника — будь то сверхмассивная черная дыра или сталкивающиеся галактики, — и, таким образом, больше узнать о таких объектах.
Загадка, пришедшая из-под земли
Анализ данных, полученных после двух полетов ANITA, не принес сенсаций. Но когда ученые во главе с Питером Горхэмом из Гавайского университета в третий раз запустили аэростат и более тщательно изучили старые записи, ученые сильно удивились. Среди фонового шума они нашли аномальный радиосигнал, который не укладывался в стандартную модель ожиданий. Он соответствовал высокоэнергетической частице, но ее траектория была иной. Эта частица не пришла сверху, из космоса, как ожидалось, а, казалось, вырвалась из самой толщи антарктического льда.
С точки зрения стандартной физики, это невозможно. Низкоэнергетические нейтрино действительно могут беспрепятственно проходить сквозь Землю. Но частицы с ультравысокой энергией, которые искала ANITA, сталкиваются с плотной материей планеты как с непреодолимой стеной — они либо поглощаются, либо теряют всю свою энергию. В 2018 году ANITA зафиксировала второй подобный аномальный сигнал, что сделало случайную ошибку маловероятной. Расчеты показали: шанс дважды зафиксировать прохождение обычного нейтрино сквозь Землю составляет примерно один на миллион.
Начался поиск экзотических гипотез в рамках известной физики. Одни ученые предположили, что сигналы создают гипотетические частицы аксионы, превращающиеся в фотоны в магнитном поле Земли. Другие обратились к теории суперсимметрии, предсказывающей для каждой известной частицы более тяжелого «партнера» — в данном случае «стау», который мог бы проделать такой путь. Однако поиски суперсимметричных частиц на Большом адронном коллайдере пока не увенчались успехом, что заставило многих физиков скептически относиться к таким объяснениям.
Элегантная симметрия как ключ ко всему
Пока экспериментаторы ломали головы над аномалиями, теоретик Нил Тьюрок подошел к проблеме с другой стороны. Его разочаровывало, как современная космология обрастала сложными дополнениями — инфляцией, мультивселенными, новыми частицами, — лишь бы объяснить наблюдаемую картину мира. Тьюрок верил, что природа должна быть проще и элегантнее. Вместо того чтобы изобретать новые сущности, он решил до предела расширить один из фундаментальных принципов физики — CPT-симметрию.
Аббревиатура CPT обозначает три вида симметрий, которые, как считается, в совокупности никогда не нарушаются: заряд (C), пространственная четность (P) и время (T). Это означает, что любое физическое взаимодействие должно выглядеть идентично, если поменять все частицы на античастицы (C), отразить в зеркале (P) и запустить обратно во времени (T).
В 2018 году Тьюрок и его коллеги Латам Бойл и Киран Финн решили применить эту симметрию не к отдельным частицам, а ко всей Вселенной в момент ее рождения — Большого взрыва. Результат расчетов ошеломил. Если наша Вселенная с самого начала подчинялась CPT-симметрии, то Большой взрыв должен был породить не один, а два мира.
В одном оказалась большая часть материи — это наша Вселенная, расширяющаяся вперед во времени. В другом — большая часть антиматерии, образующая «анти-вселенную», которая с нашей точки зрения сжимается обратно к моменту Большого взрыва. Жители этого зеркального мира, если бы они существовали, считали бы своей нормальной материей антиматерию, а нашу Вселенную воспринимали бы как странную, сжатую и наполненную «неправильным» веществом.
Эта радикальная идея решает одну из главных загадок космологии — куда делась антиматерия. Согласно стандартному сценарию, в первые мгновения после Большого взрыва должно было образоваться равное количество материи и антиматерии, которые затем полностью аннигилировали бы, не оставив ничего для создания звезд и планет. Зеркальная вселенная предлагает простое решение: антиматерия не исчезла, она находится в параллельной вселенной, движущейся в обратном направлении времени.
Столкновение теории и данных
Но как связать эту умозрительную теорию с конкретными частицами, вырывающимися из антарктического льда? Тьюрок обнаружил, что CPT-симметрия требует существования особой частицы — тяжелого «праворукого» нейтрино. Его масса, согласно расчетам, составляет порядка 500 миллионов миллиардов электронвольт. Удивительным образом эта цифра идеально совпала с энергией частицы, зарегистрированной ANITA.
Теоретик Луис Анчордочи из Городского университета Нью-Йорка и его коллеги соединили обе нити. Они предположили, что тяжелые праворукие нейтрино, рожденные в ту же эпоху, что и зеркальная вселенная, миллиарды лет скапливались в гравитационной ловушке внутри Земли. Изредка эти частицы, являющиеся кандидатом на роль темной материи, могут распадаться, порождая тот самый тау-нейтрино, который зафиксировала ANITA.
Однако научное сообщество отнеслось к этой идее со здоровым скепсисом. Главный удар по гипотезе нанес соседний с ANITA эксперимент IceCube — гигантская обсерватория, чьи детекторы погружены в кубический километр антарктического льда. Если бы сквозь Землю действительно пролетали высокоэнергетические нейтрино, IceCube, с его огромной чувствительностью, должен был зафиксировать их в огромных количествах. Но он ничего не увидел.
С научной точки зрения это означает: ANITA увидела необъяснимые радиосигналы, их основная гипотеза о нейтрино, проходящих сквозь Землю, была опровергнута наблюдениями IceCube. Критики указывают на более прозаические объяснения: ультра-высокоэнергетические космические лучи могли отразиться от определенных слоев антарктического льда, создав для детекторов ANITA иллюзию прихода сигнала снизу. Кроме того, сами аномальные события можно буквально пересчитать по пальцам — их всего три (или четыре, если учитывать одну возможную находку обсерватории Пьера Оже), что делает статистику крайне слабой.
Где искать истину?
Несмотря на критику, Тьюрок уверен, что его теория дает конкретные и проверяемые предсказания, которые отличают ее от умозрительных спекуляций. Во-первых, зеркальная вселенная не требует фазы космологической инфляции, а значит, не должна была порождать первичные гравитационные волны определенного типа, которые так и не удалось обнаружить. Во-вторых, теория предсказывает, что самый легкий из известных нейтрино должен быть абсолютно безмассовым — это можно будет проверить в ближайшие пять-десять лет.
Post Scriptum
История с аномальными сигналами из Антарктиды — это идеальная иллюстрация того, как работает наука на переднем крае. Необъяснимые данные заставляют исследователей перебирать все возможные гипотезы, от самых консервативных до самых смелых. Теория зеркальной вселенной, движущейся вспять во времени, безусловно, относится к последним. Она решает фундаментальные космологические проблемы потрясающе элегантным способом и даже находит количественное совпадение с данными ANITA. Однако отсутствие подтверждения от других экспериментов, таких как IceCube, пока оставляет ее в статусе красивой, но неподтвержденной идеи.
-----
Еще больше интересных постов в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости