Странные истории из физики элементарных частиц, которые поразили нас в 2023 году

 Вот 11 крупных обновлений, произошедших в этом году в области физики элементарных частиц.

Самый яркий гамма-всплеск, когда-либо наблюдавшийся, наблюдался рентгеновским телескопом Swift примерно через час после извержения. (Фото: space.com)

Прошедший год стал большой победой для физики элементарных частиц, поскольку эксперименты и природа сговорились дать поистине ошеломляющие результаты. Вот самые важные истории о мельчайших частицах 2023 года.

1. А ВОТ И БОГИНЯ СОЛНЦА

В 1992 году астрономы были ошеломлены, обнаружив то, что они позже назвали частицей «О-Мой-Боже» — космический луч, врезающийся в атмосферу Земли с невероятной энергией в 320 экзаэлектронвольт (ЭВ). В человеческом масштабе это не такая уж большая цифра — примерно такая же, как у упавшего баскетбольного мяча, падающего на землю. Но для субатомных частиц он огромен, намного опережая даже наши самые мощные эксперименты на коллайдерах. А в прошлом году у частицы OMG появился партнер: частица с энергией 240 ЭэВ, получившая название Аматэрасу, названная в честь богини Солнца в японской мифологии. Обнаруженная в рамках проекта Telescope Array Project в Юте, новая частица присоединяется к редкому списку ультрарелятивистских космических лучей высоких энергий. Эти редкие частицы возникают в результате самых энергичных событий во Вселенной, но в конечном итоге они загадочны. Например, Аматэрасу, похоже, пришла со стороны Местной Пустоты, большого скопления ничего в нашем космологическом окружении.

2. КОМУ ТЫ ПОЗВОНИШЬ? ПРИЗРАЧНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Астрономы всего мира охотятся за нейтрино. Эти «частицы-призраки» производятся во всех видах ядерных и высокоэнергетических реакций, но они почти никогда не взаимодействуют с обычной материей. Итак, чтобы поймать нейтрино, астрономы обратились к огромным обсерваториям, таким как нейтринная обсерватория IceCube, которая превращает целый кубический километр антарктического ледникового покрова в детектор нейтрино. Используя этот чувствительный инструмент, астрономы в этом году объявили, что наша галактика Млечный Путь производит нейтрино огромными порциями. Хотя мы давно знали, что другие, более далекие галактики производят большое количество нейтрино, это было первое прямое доказательство того, что наша галактика тоже производит это, открывая тем самым совершенно новый путь в науке о нейтрино.

3. ПОЧУВСТВУЙТЕ РИТМ

Пульсары уже известны как удивительные объекты. Они сформированы из нейтронных звезд, которые являются остатками ядер мертвых звезд. Они могут сжать массу, в несколько раз превышающую массу Солнца, до объема размером не больше города. Самые быстрые из них вращаются быстрее, чем кухонный блендер. Иногда они испускают лучи радиации, и когда эти лучи омывают Землю, мы называем их пульсарами. В этом году астрономы добавили еще одну превосходную степень: самые энергичные фотоны гамма-излучения, когда-либо обнаруженные от пульсара. Используя обсерваторию Стереоскопической системы высоких энергий в Намибии, астрономы увидели фотоны, исходящие от пульсара, расположенного на расстоянии около 1000 световых лет в направлении созвездия Вела. Одиночный фотон при таких энергиях более чем в 2 миллиона раз мощнее фотонов, связанных с типичной солнечной вспышкой, поэтому хорошо, что они были созданы так далеко.

4. А ТЕПЕРЬ ЛОДКА

Говоря о гамма-лучах, пульсары — не единственный астрономический объект, способный их испускать. Фактически, некоторые взрывы настолько интенсивны, что их называют гамма-всплесками. В 2022 году астрономы наблюдали самый яркий когда-либо наблюдавшийся гамма-всплеск, который они назвали «ЛОДКА», что означает «самый яркий за все время». А в 2023 году другая группа астрономов определила, что ЛОДКА, зародившаяся в галактике за Млечным Путем, была достаточно мощной, чтобы нарушить верхний слой атмосферы Земли. Интенсивная радиация затронула ионосферу, которая находится на высоте от 31 до 217 миль (от 50 до 350 километров). Эффект был не очень большим, но тот факт, что он вообще был, удивляет, говорят в команде.

5. АНТИГРАВИТАЦИИ НЕ СУЩЕСТВУЕТ.

Антивещество похоже на обычную материю, за исключением того, что оно имеет противоположный заряд. Например, позитрон имеет ту же массу и спин, что и электрон, но имеет положительный заряд, а не отрицательный. Антиматерия, впервые обнаруженная в начале 20 века, является краеугольным камнем теоретической физики. Но, помимо заряда, насколько идентичны антиматерия и обычная материя? В этом году физики определили, что да, все это действует одинаково, особенно в ответ на гравитацию.

Общая теория относительности утверждает, что антиматерия и материя должны вести себя одинаково, но до этого года никаких убедительных испытаний не проводилось. Это не совсем неожиданный результат, но полезно вычеркнуть такие вещи из списка. Ведь природа приготовила для нас немало сюрпризов, и никогда не знаешь, где их можно найти.

6. НЕЙТРИННАЯ ФАБРИКА

Нейтрино бывают самых разных энергий и из множества экзотических источников. В 2023 году астрономы узнали еще об одной: гигантских черных дырах. Сами по себе черные дыры не создают нейтрино — в конце концов, ничто не может вырваться из их гравитационных тисков, — но газ, кружащийся в их зияющих пастях, определенно может. Там плазма разгоняется до здоровой доли скорости света и нагревается до триллионов градусов. Этой энергии более чем достаточно для производства всевозможных сумасшедших частиц, включая нейтрино, которые, как обнаружили астрономы, постоянно омывают Землю.

7. ТАЙНЫ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ

Большая часть материи во Вселенной представляет собой загадочную форму материи, известную как темная материя, которую мы можем обнаружить лишь косвенно через ее гравитационное влияние на галактики и большую Вселенную. Никакой измененной теории гравитации, которая могла бы объяснить результаты, не существует, поэтому наше лучшее предположение на данный момент состоит в том, что темная материя — это своего рода неизвестная частица.

Ученые искали признаки этой частицы с помощью детекторов, разбросанных по всему миру, и в этом году коллаборация Super Cryogenic Dark Matter Search объявила… что они ее не нашли. Это не так уж и плохо; команда действительно предоставила более жесткие ограничения на то, чем темная материя не является, что помогает сузить будущие поиски, но охота продолжается.

8. КОГДА ТЬМА ПОГЛОЩАЕТ СВЕТ

Темная материя настолько загадочна, что могут существовать целые новые области физики, которые в настоящее время для нас невидимы. Например, может существовать новая, пятая сила природы, действующая только между различными видами частиц темной материи. Этой силе понадобится собственный носитель, получивший название «темный фотон», потому что это звучит очень эпично. В этом году группа физиков пролила некоторый свет (каламбур) на то, как могут работать эти темные фотоны, и, что более важно, на то, как мы сможем их обнаружить. Любое теоретическое понимание здесь чрезвычайно помогает, поскольку нам нужна вся возможная помощь.

9. ЕГО ТЕМНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Мир темной материи может стать еще более странным. Не устраивает только один вид частиц? Новой силы природы недостаточно? А как насчет целой темной таблицы Менделеева, в которой различные «виды» частиц темной материи взаимодействуют в своем сложном, невидимом танце? Это приводит к глубоко гипотетической идее, известной как темные атомы, когда частицы темной материи собираются вместе в сердцах галактик. Согласно новому исследованию, проведенному в этом году, эти темные атомы могут и дальше влиять на скорость образования звезд в родительских галактиках — потенциально наблюдаемый эффект.

10. МАНИЯ БУББЛЕТРОНА

Ранняя Вселенная действительно знала, как устроить вечеринку. В течение первой секунды после Большого взрыва силы природы отделились от своего единого состояния, создав космос, который мы знаем и любим сегодня. Эти «расщепления» были жестокими и энергичными, и они не произошли одновременно во всей Вселенной. По мере того как каждая сила разрывалась, образовывались, расширялись и сталкивались друг с другом пузыри новой реальности. В этом году физики обнаружили, что сталкивающиеся пузырьки могут стать отличными ускорителями частиц. Названные «пузырьтронами», они могут быть ответственны за создание большинства известных нам частиц.

11. БЕГУЩЕЕ СОЛНЦЕ

Солнце — наша ближайшая звезда, поэтому оно также является нашей ближайшей лабораторией звездной физики. В этом году с помощью Высотной водной Черенковской обсерватории в Мексике астрономы обнаружили, что наша звезда гораздо более энергична, чем мы думали ранее. Солнце прекрасно способно генерировать избыточное гамма-лучи, самую энергетическую форму излучения. Хотя это излучение не причиняет нам прямого вреда, оно показывает, что о Солнце еще многое предстоит узнать.

Источник