Частица-призрак: как взрыв черной дыры времён Большого Взрыва может объяснить тайну тёмной материи

Невероятно энергичная «невозможная» частица, достигшая Земли в 2023 году, могла быть осколком взорвавшейся первичной черной дыры, сформировавшейся во время Большого Взрыва. Если это так, то это может доказать существование первичных черных дыр, что, в свою очередь, способно помочь объяснить, из чего состоит самая загадочная «субстанция» во Вселенной — тёмная материя.

Речь идет о нейтрино с энергией, в 100 000 раз превышающей энергию частиц, создаваемых самым большим и мощным в мире ускорителем — Большим адронным коллайдером (БАК). Частица была настолько энергичной, что ученым неизвестны какие-либо природные космические явления, достаточно мощные, чтобы ее породить.

Теперь группа исследователей из Массачусетского университета в Амхерсте выдвинула гипотезу, что подобная частица могла быть выброшена при взрыве так называемой «квази-экстремальной первичной черной дыры».

Ключ к взрывам черных дыр — это утечка излучения Хокинга, теплового излучения, названного в честь физика Стивена Хокинга, впервые предсказавшего его существование в 1974 году. Чем горячее черная дыра, тем быстрее она теряет массу через излучение Хокинга и в конце концов заканчивает свою жизнь колоссальным взрывом.

Загвоздка в том, что чем массивнее черная дыра, тем она холоднее и тем медленнее теряет энергию. Поэтому даже самой маленькой черной дыре звездной массы (около 3–5 масс Солнца) потребовалось бы порядка 10^67 лет — невообразимо больше возраста Вселенной — чтобы испариться и взорваться.

Однако Хокинг также теоретизировал, что может существовать и другой тип черных дыр — рожденных не из умирающих звезд, а непосредственно из флуктуаций плотности в «первичном море» сверхгорячих частиц, заполнявших космос в первые мгновения после Большого Взрыва. Поскольку эти первичные черные дыры могут быть чрезвычайно малы (с массой планеты или крупного астероида), они должны быть достаточно горячими, чтобы эффективно испаряться и взрываться.

«Чем легче черная дыра, тем она должна быть горячее и тем больше частиц будет излучать, — заявила в своем комментарии член исследовательской группы Андреа Тамм. — По мере испарения первичные черные дыры становятся еще легче и горячее, излучая все больше радиации в стремительном процессе, ведущем к взрыву. Именно это излучение Хокинга могут обнаружить наши телескопы».

Астрономы оценивают, что первичная черная дыра должна взрываться с частотой примерно раз в десять лет. До сих пор ни одного подобного взрыва зафиксировано не было, поэтому как первичные черные дыры, так и излучение Хокинга остаются чисто теоретическими понятиями. Если, конечно, свидетельство взрыва не было обнаружено с помощью другого метода, истинная природа которого изначально не была понята.

«Невозможная» частица

Сверхэнергетичное нейтрино было зафиксировано в 2023 году сетью нейтринных детекторов KM3NeT, расположенных на дне Средиземного моря. Однако это событие не было зарегистрировано похожим детектором IceCube, находящимся глубоко во льдах Южного полюса. Это стало проблемой, поскольку IceCube был специально создан для обнаружения высокоэнергетичных нейтрино, но никогда не фиксировал частиц даже с одной сотой энергией «невозможного» нейтрино. Если первичные черные дыры взрываются раз в десять лет, IceCube должен был бы регулярно «бомбардироваться» высокоэнергетичными нейтрино. Где же они?

У команды из Массачусетского университета есть теория, которая объясняет эту загадку и открывает путь к разгадке тёмной материи. Они предполагают, что ключевым звеном являются первичные черные дыры, обладающие «тёмным зарядом» — отсюда и название «квази-экстремальные».

«Тёмный заряд» — это аналог знакомой нам электромагнитной силы, но переносимый не обычным электроном, а его гораздо более тяжелым гипотетическим родственником — «тёмным электроном». Черная дыра с таким зарядом обладала бы уникальными свойствами, отличающими ее от стандартной. Это не только объяснило бы уникальность зафиксированного нейтрино (возможно, оно было порождено в специфическом процессе распада «тёмного электрона» при взрыве), но и могло бы решить многовековую загадку тёмной материи.

«Если наша гипотеза о тёмном заряде верна, мы полагаем, что может существовать значительная популяция первичных черных дыр, которая будет согласовываться с другими астрофизическими наблюдениями и сможет полностью объяснить всю недостающую тёмную материю во Вселенной», — заключил член команды Хоаким Игуаз Хуан.

Таким образом, одна-единственная «невозможная» частица, пролетевшая сквозь Землю, может стать тем самым недостающим ключом, который одновременно откроет дверь к экспериментальному подтверждению излучения Хокинга, доказательству существования первичных черных дыр и новых частиц за пределами Стандартной модели, и, наконец, к разгадке природы самой таинственной составляющей нашей Вселенной.

Исследование команды было принято к публикации в журнале Physical Review Letters.