Мы только что увидели взрыв первичной черной дыры? Физики нашли возможный источник темной материи в данных KM3NeT
В современной физике элементарных частиц сложилась необычная ситуация, которую исследователи называют напряжением данных. С современной точностью, кажется что не может случиться, чтобы показания разных приборов, наблюдающих за одним и тем же небом, переставали согласовываться друг с другом в рамках привычных теорий. Но именно это произошло после того, как глубоководный телескоп KM3NeT, расположенный в Средиземном море, зарегистрировал нейтрино с беспрецедентно высокой энергией.
Событие, получившее индекс KM3-230213A, обладало энергией около 220 петаэлектронвольт (ПэВ). Это абсолютный рекорд за всю историю наблюдений. Другая крупнейшая обсерватория — IceCube, вмороженная в антарктический лед, — ведет наблюдения значительно дольше и обладает большей эффективной площадью детектирования. Если бы во Вселенной существовал стабильный поток частиц, способный породить событие такого масштаба, IceCube неизбежно зафиксировал бы множество сопутствующих нейтрино с чуть меньшими энергиями (в диапазоне от 1 до 10 ПэВ). Но этих событий нет.
Так образовалось статистическое противоречие на уровне 3,5 стандартных отклонений (сигма). Для физики это серьезный сигнал: либо мы имеем дело с невероятной случайностью, либо наши представления о механизмах рождения таких частиц неверны. Группа физиков-теоретиков из Массачусетского университета в Амхерсте опубликовала работу, в которой предложила объяснение этому феномену. Их модель не требует переписывания всей физики, но вводит новый класс объектов — квазиэкстремальные первичные черные дыры.
Кризис стандартной модели испарения
Чтобы понять суть предложенного решения, вспомним теорию испарения черных дыр, разработанную Стивеном Хокингом полвека назад. Согласно квантовой механике, черные дыры не являются абсолютно черными: они излучают частицы и теряют массу. Важнейшая особенность этого процесса — обратная зависимость температуры от массы. Чем меньше становится черная дыра, тем выше ее температура и тем интенсивнее идет испарение.
В последние мгновения своей жизни черная дыра должна исчезать в мощнейшей вспышке, выбрасывая поток высокоэнергетических частиц, включая нейтрино. Первичные черные дыры — гипотетические объекты, сформировавшиеся не в результате коллапса звезд, а из-за флуктуаций плотности материи в первые доли секунды после Большого взрыва, — могли бы дожить до наших дней и взрываться именно сейчас.
Однако стандартная модель незаряженной (шварцшильдовской) черной дыры не может объяснить наблюдаемую аномалию. Расчеты показывают: если бы источником нейтрино на KM3NeT были обычные взрывающиеся дыры, то процесс их испарения должен был бы породить плотный поток частиц в диапазоне 1 ПэВ. Отсутствие такого сигнала на детекторах IceCube делает гипотезу обычных черных дыр несостоятельной. Более того, такие взрывы сопровождались бы мощным выбросом гамма-квантов, которые должны были попасть в поле зрения гамма-телескопов типа HAWC, чего также не происходит.
Механизм темного заряда
Авторы новой работы предлагают модифицировать модель, добавив в уравнение новый параметр — заряд. Речь идет не об обычном электрическом заряде, который быстро нейтрализуется окружающей материей, а о заряде в рамках так называемого темного сектора. Это гипотетическое расширение Стандартной модели, предполагающее существование частиц темной материи, обладающих собственным взаимодействием (новой U(1) калибровочной симметрией).
Эволюция черной дыры, обладающей таким зарядом, сильно отличается от сценария Хокинга:
- Накопление потенциала. В процессе испарения черная дыра теряет массу, но сохраняет свой темный заряд. Поскольку масса уменьшается, плотность заряда возрастает.
- Термодинамическое торможение. Согласно метрике Рейсснера — Нордстрема (описывающей заряженные черные дыры), наличие заряда снижает температуру объекта. В определенный момент гравитационное сжатие уравновешивается отталкиванием заряда. Черная дыра становится квазиэкстремальной: ее температура падает практически до нуля, а испарение прекращается.
- Стадия стабильности. В этом состоянии объект может существовать миллиарды лет, оставаясь невидимым для телескопов, так как излучение Хокинга подавлено.
Этот механизм объясняет, почему мы не видим постоянного фона от множества испаряющихся дыр. Они не взрываются непрерывно, а замирают в стабильном состоянии. Однако эта стабильность не длится вечно.
Эффект Швингера как триггер катастрофы
Главный элемент новой теории — механизм разрядки. Когда черная дыра находится в квазиэкстремальном состоянии, напряженность электрического (темного) поля вблизи горизонта событий достигает критических величин. В таких условиях вакуум становится нестабильным.
Срабатывает эффект Швингера: энергия поля спонтанно преобразуется в материю, рождая пары частиц и античастиц (темных электронов). Этот процесс приводит к лавинообразному сбросу заряда. Как только заряд покидает систему, сдерживающий фактор исчезает. Черная дыра мгновенно возвращается к обычному состоянию и, поскольку ее масса уже критически мала, происходит мгновенный взрыв.
Именно этот сценарий — длительное молчание, завершающееся резким и мощным финальным выбросом — идеально ложится на наблюдаемые данные.
Согласование данных и решение парадокса
Главное достижение предложенной модели — изменение энергетического спектра излучаемых нейтрино.
В стандартном сценарии черная дыра долгое время излучает частицы средней энергии, прежде чем перейти к высоким энергиям. В сценарии с темным зарядом фаза излучения средних энергий (около 1 ПэВ) пропускается, так как дыра в это время находится в холодном, стабильном состоянии. Выброс происходит только в самом конце, когда энергии максимальны (около 100 ПэВ).
Это объясняет, почему IceCube не видит широкого спектра событий на уровне 1 ПэВ (их просто нет), а KM3NeT регистрирует редкие, но экстремально мощные события на уровне сотен петаэлектронвольт (результат финального коллапса после разрядки). Моделирование показывает, что при определенных параметрах массы темного электрона и константы связи расхождение между данными телескопов снижается с 3,5 сигма до статистически приемлемого уровня в 1 сигма.
Космологические последствия: природа темной материи
Побочный результат этого исследования может оказаться даже более значимым, чем объяснение нейтринной аномалии. В космологии существует давняя проблема: легкие первичные черные дыры не рассматривались как кандидаты на роль темной материи, поскольку они должны были испариться за время существования Вселенной (13,8 млрд лет).
Однако механизм стабилизации за счет темного заряда меняет оценку времени жизни этих объектов. Черные дыры с начальной массой порядка 105 грамм, перешедшие в квазиэкстремальное состояние, способны пережить возраст Вселенной. Расчеты авторов показывают, что плотность таких объектов может полностью соответствовать наблюдаемой плотности темной материи.
Так, мы получаем единую непротиворечивую картину:
- Темная материя состоит из огромного количества микроскопических, экстремально заряженных черных дыр.
- Редкие случаи их спонтанной разрядки и последующего взрыва порождают те самые аномальные нейтрино сверхвысоких энергий, которые фиксирует KM3NeT.
- Отсутствие промежуточного излучения объясняет молчание IceCube и гамма-телескопов.
Перспективы проверки
Научная ценность гипотезы определяется ее проверяемостью. Модель предсказывает не только спектр нейтрино, но и специфические характеристики сопутствующего гамма-излучения, которое должно возникать при финальном распаде. Хотя современные гамма-телескопы (HAWC, LHAASO) пока не видят этих сигналов, их чувствительность находится на грани, необходимой для детекции.
Следующее поколение нейтринных обсерваторий, в частности проект IceCube-Gen2, сможет набрать достаточную статистику в диапазоне сверхвысоких энергий. Если распределение событий совпадет с предсказанной кривой заряженного взрыва, это станет сильнейшим аргументом в пользу существования новой физики за пределами Стандартной модели и, возможно, закроет вопрос о природе темной материи.
Источник:arXiv