Девятого октября 2022 года астрономы зафиксировали событие, которое может стать первым наблюдаемым доказательством того, что пространство-время устроено сложнее, чем учит специальная теория относительности. Всплеск гамма-излучения GRB 221009A, порожденный коллапсом массивной звезды в черную дыру на расстоянии более двух миллиардов световых лет, поставил физиков перед парадоксом: частица света с энергией около 300 тераэлектронвольт достигла Земли, хотя по всем законам квантовой электродинамики сделать это она не могла.
Масштаб аномалии трудно переоценить. Орбитальные обсерватории Swift и Fermi захлебнулись от потока энергии, а наземные детекторы зафиксировали фотоны вплоть до 18 тераэлектронвольт. Но главный сюрприз преподнесла российская установка «Ковер-3» в Баксанском ущелье. Через час с четвертью после начала всплеска она поймала вторичный атмосферный каскад, порожденный одиночным фотоном с энергией, в сто раз превышающей показатели орбитальных телескопов. Для сравнения: энергия кванта видимого света, который воспринимает человеческий глаз, составляет всего два-три электронвольта, а здесь речь идет о триллионах.
Проблема в том, что фотону такой энергии предстояло преодолеть межгалактическую среду, напичканную реликтовым микроволновым излучением — остаточным «эхом» Большого взрыва, плотность которого достигает 411 фотонов на кубический сантиметр. Согласно реакции Брейта — Уиллера, при столкновении двух фотонов они аннигилируют, превращаясь в электрон-позитронную пару. Для кванта с энергией 300 тераэлектронвольт порог этой реакции смещается настолько, что для его уничтожения достаточно столкновения с любым, даже самым слабым фотоном реликтового фона. Вероятность того, что частица пролетит сквозь эту «стену» два миллиарда световых лет, равна единице, деленной на десять в девяносто шестой степени. В физике такое число означает абсолютный запрет.
Сомневаться в достоверности измерений оснований нет. Установка «Ковер-3» оборудована подземными мюонными детекторами, которые позволяют безошибочно отличить фотонный ливень от протонного. Протоны, взаимодействуя с ядрами атомов воздуха, рождают заряженные пи-мезоны, распадающиеся на мюоны, легко прошивающие толщу земли. Фотоны же взаимодействуют только через электромагнитное поле, и мюонов в их каскаде практически не бывает. Подземные датчики зафиксировали почти полное отсутствие мюонов, а вероятность ошибки составила три десятитысячных. Событие признано экспериментально надежным.
Теоретики Джорджо Галанти и Марко Ронкаделли в своей фундаментальной работе перебрали все возможные объяснения. Гипотеза протонного пучка разбилась о данные телескопа «Джеймс Уэбб»: вспышка произошла в диске спиральной галактики, ориентированной к нам ребром, и заряженные частицы неизбежно задержались бы в ее магнитном поле на семнадцать часов, тогда как реальный сигнал уложился в окно от одиннадцати до тридцати трех минут. Модель нейтронного пучка исключил нейтринный телескоп IceCube, не зафиксировавший ни одного события. Даже экзотические аксионоподобные частицы — гипотетические сверхлегкие бозоны, предсказанные теорией суперструн, — спасают ситуацию лишь для фотонов с энергией до двадцати тераэлектронвольт. На сверхвысоких энергиях эффекты поляризации вакуума разрушают механизм осцилляций, и вероятность регистрации падает до одной десятитысячной.
Остается последний, самый радикальный вариант: признать, что на планковских масштабах длины пространство-время перестает быть непрерывным. Если это так, то нарушается лоренц-инвариантность — краеугольный камень теории относительности, утверждающий, что скорость света постоянна и не зависит от энергии фотона. В квантовой гравитации высокоэнергетичные частицы должны двигаться чуть медленнее своих низкоэнергетичных собратьев. Казалось бы, ничтожная поправка, но на дистанции в два миллиарда световых лет она накапливается в измеримую величину. А главное — она сдвигает порог реакции Брейта — Уиллера. Фотон с энергией 300 тераэлектронвольт перестает «видеть» типичные фотоны реликтового фона, и Вселенная становится для него прозрачной.
Галанти и Ронкаделли доказали: данные разных обсерваторий согласуются только в гибридной модели. На энергиях до двадцати тераэлектронвольт прозрачность обеспечивают аксионы, а выше — нарушение лоренц-инвариантности. Причем два независимых факта дают совпадающую оценку масштаба квантово-гравитационных эффектов. Часовое отставание фотона, зарегистрированного «Ковром-3», от основного импульса всплеска — 4536 секунд — в точности соответствует расчетной разнице скоростей для квадратичной поправки с энергетическим масштабом около 1,6 на десять в двенадцатой степени гигаэлектронвольт. А анализ прозрачности Вселенной дает величину менее двух на десять в тринадцатой степени — тот же порядок.
Особого внимания заслуживает вопрос, почему фотон все-таки вступил во взаимодействие с земной атмосферой. Расчеты показывают, что для энергий свыше ста миллионов тераэлектронвольт подавление взаимодействия было бы критическим — такие частицы прошивали бы воздушную оболочку насквозь, оставаясь незамеченными. Но для кванта в 300 тераэлектронвольт длина свободного пробега в воздухе составляет от одного до десяти километров, что гарантирует рождение каскада в плотных слоях атмосферы. Именно этот каскад и зафиксировали детекторы в Баксанском ущелье.
Если последующие наблюдения сверхмощных гамма-всплесков подтвердят выводы теоретиков, физика получит первое экспериментальное свидетельство того, что специальная теория относительности — лишь приближение более фундаментальной теории, описывающей квантовую структуру пространства-времени. Пока же речь идет о единичном событии, но его значение трудно переоценить: возможно, мы впервые увидели след дискретности ткани мироздания.
По материалам: iXBT
