Mokslo ir technologijų pasaulis

Eksperimento Antarktidoje metu užfiksuotos keistos dalelės liudija alternatyvią realybę, kur viskas atvirkščia

Antarktidoje viskas vyksta ledynų tempu. Paklauskite Peterio Gorhamo. Po mėnesį jis su kolegomis stebi aukštai virš ledo nešantį antenas gigantišką balioną, skenuojantį milijonus kvadratinių kilometrų ledo dykynių, ieškantį iš kosmoso atskriejančių didelės energijos dalelių.

Kai balionas po pirmo skrydžio nusileido, jis, be foninio triukšmo blyksnių, nieko neparodė. Tas pats nutiko ir antrojo skrydžio metu, po daugiau nei metų.

Kol balionas skriejo trečią kartą, tyrėjai nusprendė darsyk peržvelgti jau surinktus duomenis, ypatingą dėmesį skiriant tiems keistiems signalams, kurie buvo atmesti kaip triukšmas. Ir gerai, kad jie tai padarė. Ištyrus atidžiau, pasirodė, kad vienas ženklas gali būti aukštos energijos dalelės pėdsakas. Bet jis nebuvo tai, ko jie ieškojo. Dar daugiau, tai atrodė neįmanoma. Užuot atlėkusi iš padangių, dalelė atskriejo iš apačios.

Šis keistas atradimas buvo padarytas 2016 metais. Nuo tada gluminančiam signalui paaiškinti buvo keliami įvairiausi paaiškinimai, kokius tik galėjo pasiūlyti turimos fizikos žinios, ir visi jie buvo atmesti. Likusių paaiškinimų implikacijos šokiruoja. Tokius signalus galėtų paaiškinti atvirkščia visata, sukurta to paties didžiojo sprogimo, kaip mūsiškė ir egzistuojanti paraleliai. Šiame veidrodiniame pasaulyje teigiama yra neigiama, kairė yra dešinė ir laikas eina atgal. Tai ko gero yra labiausiai protą jaukianti idėja, kilusi iš Antarktidos ledo ­­– bet ji gali būti teisinga.

Antarktidos impulsinės praskriejančios antenos (Antarctic Impulsive Transient Antenna – ANITA) projekto ambicijos niekados nebuvo tokios didelės. Žemę nuolat bombarduoja iš toliausių kosmoso pašalių atskriejančios dalelės, vadinamieji kosminiai spinduliai, kurie kartais būna milijoną kartų energingesni, nei gali sukurti mūsų geriausi dalelių greitintuvai. Kosmologams smalsu, iš ko tokios ultraenergingos dalelės sudarytos ir iš kur jos atlekia, tačiau atsakymus gauti nelengva. Pavyzdžiui, galaktikos magnetiniai laukai iškreipia dalelių trajektorijas, todėl jų kilmės vietą atsekti tampa praktiškai neįmanoma.

„Jokia žinoma fizika šio keisto signalo paaiškinti negali”

Laimei, kad ir kas sukuria šiuos ultradidelės energijos kosminius spindulius, sukuria ir naudingesnes nuorodas: neutrinus. Kadangi šios dalelės elektrino krūvio neturi, magnetiniai laukai jų neveikia, ir jos skrieja per kosmosą tiesiai. Todėl neutrinų – ir kartu su jais sukurtų bet kokių kosminių spindulių – kilmės vieta nustatoma, paprasčiausiai ekstrapoliuojant jų trajektoriją iš užfiksavimo vietos. Tam ir pasitarnauja ANITA.

Į Antarktidos ledyną panyrantis aukštos energijos neutrinas sukuria elektringų dalelių kaskadą, kurios savo ruožtu sukuria radiobangas. Tokias nuo paviršiaus sklindančias radiobangas užfiksuoja ANITA, ir tyrėjai gali nustatyti, kur trenkėsi neutrinas, ir išsiaiškinti kartu skriejančių kosminių spindulių kilmės vietą. „Šiame procese nėra nežinomųjų,“ sako Gorhamas, Havajų universiteto dalelių eksperimentų fizikas ir ANITA vyr. tyrėjas.

Tačiau 2016 metų radinio taip paaiškinti neįmanoma. Užuot į ledą patekusios iš viršaus, aptiktos aukštos energijos dalelės elgėsi taip, lyg būtų išsiveržusios iš žemės, tad, darytina prielaida, į Žemę pataikiusios iš kitos pusės. Įprasti, mažų energijų neutrinai taip keliauti gali, per materiją jie pereina lengvai*. Bet didelės energijos neutrinai į tokius solidžius objektus kaip planetos, teškiasi, nelyginant pilvu į vandenį: jie paprasčiausiai negali per ją perskrieti nesutrikdyti. Kaip ir kosminiai spinduliai.

Toliau bandyta išsisukti kūrybiškai. Neutrinai yra trijų žinomų tipų: elektronų neutrinai (𝜈ₑ), miuonų neutrinai (𝜈_μ) ir tau neutrinai (𝜈_𝜏). Nė vienas iš jų negali per materiją skrieti dideliu greičiu, bet tau neutrinai labai retai gali virsti kita dalele, vadinamuoju tau leptonu, o paskui vėl atgal – tau neutrinu. Gal didelės energijos tau neutrinas atlaikė kelionę per Žemę, tam laikui pasikeisdamas. Bet tokia idėja atrodė pritempta, nenatūrali, ir ANITA mokslininkai tai žinojo. „Tokia hipotezė tenkino ne visus,“ sako Gorhamas.

Visa ši mįslė dar pagilėjo 2018 m., kai ANITA užfiksavo dar vieną, atrodytų, iš žemės išnyrančios masyvios dalelės signalą. Nepriklausoma Dereko Foxo ir kitų Pensilvanijos valstijos universiteto mokslininkų analizė parodė, kokia maža tikimybė užfiksuoti du tokio tipo įvykius. Remiantis jų skaičiavimais, tikimybė, kad tau neutrinas nekliudomas perskries per Žemę per ANITA'os skrydį du kartus, yra viena iš milijono. „Taigi, lengvų paaiškinimų mums nebeliko,“ pažymi Gorhamas.

Sunkesnieji paaiškinimai nukelia už mums pažįstamos fizikos ribų. Daugiau nei 40 metų dalelių fiziką valdo standartinis modelis, dalelių ir jėgų sąvadas, itin tiksliai paaiškinantis pasaulį. Bet šiais laikais tyrėjams dažnai maga nesilaikyti meniu. Pavyzdžiui, Ivan Esteban iš Barselonos universiteto Ispanijoje, iškėlė mintį, kad sumaištį kelia aksionas, praėjusio amžiaus aštuntojo dešimtmečio gale pasiūlyta hipotetinė dalelė, turėjusi ištaisyti keturių fundamentaliųjų gamtos sąveikų disbalansą. Jis mano, kad radiosignalus galėjo sukelti dėl sąveikos su Žemės magnetiniu lauku fotonais virstantys aksionai.

Tuo tarpu Foxas su kolegomis atsigręžė į standartinį modelį, švelniai tariant, praplečiančią supersimetriją, kur visos žinomos elementariosios dalelės turi dvynes, kurios paprastai daug masyvesnės. Jie mano, kad supersimetrinė tau, arba „stau“, turi daug daugiau galimybių kirsti Žemę ir sukurti signalą, kurį užfiksavo ANITA. Tik bėda, kad tokie eksperimentai, skirti aptikti supersimetrines daleles, kaip LHC Šveicarijoje, nieko neaptiko. Tad, daugelis fizikų į prognozes, paremtas supersimetrija, žiūri nepatikliai.

„CPT simetrija niekados nebuvo pažeista. Tačiau tai reiškia visatos masto bėdas”

Neilui Turokui iš Perimeter teorinės fizikos instituto Waterloo, Kanadoje, visi tokie paaiškinimai atrodo bereikalingai sudėtingi. Užuot išradinėję tuntus naujų dalelių paaiškinančių paslaptingus reiškinius, turėtume dirbti su tuo, ką jau turime, mano jis. „Dalelių fizika iš ekonomiškiausios prognozes darančios teorijos tapo mažiausiai ekonomiška, ir stulbinamai daug žmonių su tuo susitaikė,“ sako jis. „Na, aš nesusitaikiau.“

Gal Turoko aistra paprastumui ir nuvedė prie įspūdingo ANITA signalų problemos sprendimo. Iš pradžių jis nagrinėjo sritį, itin tolimą nuo Antarktidos ledų: kas nutiko iškart po didžiojo sprogimo. Viena iš nedaugelio nuorodų, padedančių tirti šį laikmetį yra simetrijos prielaida, idėja, kad vykstant tam tikroms transformacijoms, fizikos dėsniai nekinta.

Glaustai aptarkime tas simetrijas. Pavyzdžiui, C yra krūvio (Charge) konjugacijos simetrija, tai yra, kad pakeitus dalelės krūvį priešingu – kitaip tariant, pakeitus ją antimedžiagos atitikmeniu – dalelės esminės savybės išlieka. P reiškia lyginumo (Parity) transformacijos simetriją, kai fizikos dėsniai pagal vieną scenarijų neatskiriami nuo jų veidrodinio atvaizdo. T yra laiko (Time) apvertimo simetrija, reiškianti, kad procesas, vykstantis priešinga laiko kryptimi, nepažeidžia jokių fizikos dėsnių.

Yra žinoma, kad vienas ar du procesai, susiję su fundamentaliosiomis dalelėmis, pažeidžia C, P ir T simetrijas. Tačiau visais šiais atvejais pažeidžiamos ir kitos dvi simetrijos, taip simetrijos kompensuojamos ir bendra CPT simetrija niekados nepažeidžiama. „Lig šiol niekam nepavyko rasti būdą, kaip to išvengti,“ sako Turokas. „Tai labai gilus gamtos įstatas.“

2018 metais Turokas su savo bendradarbiais iš Perimeter instituto, Latham Boyle ir Kieran Finn, susiruošė išsiaiškinti, kas būtų, jei CPT simetrija būtų galiojusi ir ankstyviausiais visatos egzistavimo momentais. Jie pamatė, kad skaičiavimai nubrėžia griežtas ribas, kokio tipo ir kiek dalelių galėjo susidaryti per didįjį sprogimą. Viena iš jų buvo sunkieji „dešininiai“ neutrinai. Tai yra, Turoko pagrindinės filosofijos neatitinkanti, hipotetinė dalelė, bet plačiai pripažįstama, kad ji būtina atsverti jau žinomų – dėl savo sukinio vadinamų „kairiniais“ – neutrinų masę. Pagal CPT simetriją jų turėtų būti labai daug, ir Turokas su kolegomis atrado, kad jeigu jų masė suderinta tinkamai, jie tiksliai atitinka vienos iš sunkiausiai pagaunamų visatos medžiagų – tamsiąją materiją, visatos trūkstamą masę, kurios fizikai taip ilgai ieškojo. „Negalėjome patikėti,“ sako Turokas. „Dešininis neutrinas tiesiog savaime tapo tamsiosios materijos kandidatu.“

Tamsiosios materijos kandidatų toli ieškoti nereikia. Tačiau šio masė buvo 500 milijonų milijardų elektronvoltų, arba maždaug viena milijonoji milijardinės gramo dalies. Tuomet Turokas dar nežinojo, kad tai tiksliai atitiko masę dalelės, kurią užfiksavo ANITA.

Bauginama simetrija

Fizikos teoretikas Luis Anchordoqui iš City universiteto Niujorke su kolegomis pirmieji nurodė šį sutapimą. Jie iškėlė mintį, kad per milijonus metų Žemės gravitacija kosmosą persmelkusius dešininius neutrinus sutraukė į branduolį. Ir dar, kad šios tamsiosios materijos dalelės kartais skyla į Higgso bozono ir tau neutrino porą, taip sukurdami ANITA signalus. „ANITA išmatuota energija yra tiksliai tokia, kokią jie numatė,“ sako Anchordoqui. „Tai – nuostabus dalykas.“ Tai yra konkreti, kiekybinė prognozė, ir eksperimentas ją patvirtino, kas šiais laikais dalelių fizikoje nutinka retai.

Bet jeigu šią idėją pagrindžianti prielaida teisinga, kyla pavojus mums pažįstamai visatai. Viena iš prielaidos, kad CPT simetrija galiojo ir pačiais pirmaisiais momentais po didžiojo sprogimo pasekmių – mūsų kosmose susidarė po lygiai materijos ir antimaterijos. Kaip žinia, jos labai nesutaria, ir būtų sunaikinusios viena kitą, palikdamos tik energiją. Faktas, kad dabar materijos gerokai daugiau, nei antimaterijos, daugelį kosmologų verčia manyti, kad CPT simetrija ne visados buvo tokia griežta kaip dabar. Patvirtinus simetrijos nekintamumą, Turokui ir jo kolegoms liko svarbiausias klausimas: kodėl mūsų visata iš viso egzistuoja?

Pasirodo, atsakymas glūdi pačioje CPT simetrijoje – ir jis rauna stogą. Kad tai suprastume, pažiūrėkime į vieną iš paprasčiausių žinomų procesų: elektrono ir jo antimaterinio atitikmens, pozitrono, susidarymą stipriame elektriniame lauke. Tačiau griežtai laikantis CPT simetrijos, galima šį procesą matyti ir kitaip: pozitronas yra elektronas, keliavęs atgal laiku iki momento, kol buvo sukurtas elektrinio lauko, ir tada apsisukęs keliauja laiku pirmyn. Kad ir kaip keistai tai skamba, šie du apibrėžimai yra visiškai ekvivalentūs, ir niekaip neįmanoma išsiaiškinti, kuris yra „tikras“.

Turokas spėja, kad kažkas panašaus nutiko ir mūsų visatai. Įprasta manyti, kad didysis sprogimas buvo momentas, kada radosi vienas kosmosas, kuriame praktiškai nėra antimaterijos. Bet kad būtų išsaugota CPT simetrija, didžiojo sprogimo metu turėjo būti sukurtos dvi paralelios visatos, ir didžioji dalis materijos pateko į vieną – mūsų, – o didžioji dalis antimaterijos atsidūrė kitoje. Toje kitoje visatoje viskas būtų atvirkščia, ir visos tenykštės žvaigždės ar planetos būtų sudarytos iš antimaterijos, o ne materijos. Kas dar nuostabiau, ši antivisata trauktųsi laike link link didžiojo sprogimo, užuot plėtusis po jo.

Žemyn galva

Bent jau taip atrodytų iš mūsų perspektyvos. Lygiai kaip CPT simetrija diktuoja, kad pozitrono keliavimas pirmyn laiku ekvivalentiškas elektrono keliavimui atgal laiku, taip ir mūsų įspūdis apie šią antivisatą yra reliatyvus. Antivisatos gyventojams mūsų visata yra atvirkščia, besitraukianti link didžiojo sprogimo ir pilna „neteisingos“ materijos. Negalime žinoti, kurioje visatoje esame, tik tai, kad kita visata reliatyviai yra atvirkščia. Kalbant kosminiais terminais, tai reiškia, kad laikas nėra kažkokio išorinio stebėtojo nustatyta strėlė. Tai veikiau asmeninis vėjarodis, nurodantis, kuria kryptimi plečiasi mūsų visata.

Tai yra radikalus posūkis nuo egzistuojančio kosmologijos supratimo, ir Turokas pirmasis pripažįsta, kad dar vienas kitas palaidas galas yra. Bet jis tiki, kad pats ir kiti likusius sunkumus galėsiantys išspręsti be jokių naujų dalelių. „Jei sugebėsime, jokių varžybų nebeliks: mūsų teorija bus nepalyginamai geresnė už bet kurias kitas,“ sako jis.

Tačiau yra potenciali kliūtis. Jei ANITA išties aptiko dešininį neutriną, kurį numato antivisatos teorija, būtų logiška manyti, kad ir juos turėtų aptikti ir kitos neutrinų observatorijos. Pernai metų gale kaimynystėje vykdomas IceCube eksperimentas – kai kubiniame kilometre Antarktidos ledo nuolat ieškoma šviesos žybsnių, kuriuos sukuria neutrinų skilimo produktai – paskelbė neradęs didelės energijos neutrinų atskriejančių iš ANITA nurodytos krypties.

Tai nėra antivisatos paneigimas. Anchordoqui nurodo, kad didelės energijos tau neutrinų pėdsakas gali būti palaikytas mažesnės energijos miuono neutrinu, o jį IceCube bent kartą užfiksavo. Tai yra kontroversiškas požiūris, bet tai gali reikšti, kad tiek ANITA, tiek IceCube galėjo atrasti paralelios visatos užuominas.

„Ši antivisata trauktųsi atgal laike”

Yra ir daug kitų patvirtinimų. Antivisatos teorija numato, kad didysis sprogimas neturėjo sukurti pirminių gravitacinių bangų – erdvėlaikio raibulių, kurių ieško daug kosmologų, bet kol kas neaptiko. Ir dar ji numato, kad lengviausias iš trijų neutrinų iš tiesų masės neturi, ir Turokas mano, kad tai galėtų būti patvirtinta per artimiausius 5–10 metų. Būtent tokios konkrečios prognozės ir apspręs, ar antivisatos idėja gyvuos. „Susirišome rankas,“ sako jis.

O kol kas dėmesys krypsta į Antarktidą ir galimybę užfiksuoti daugiau iš žemės išlekiančių masyvių dalelių. Jau praėjo trys metai nuo tada, kai ketvirtasis ANITA eksperimentas minkštai nusileido ant ledo, ir naujausių duomenų analizė tebevyksta.

Gorhamas nenori apžvelgti turinio. „Dar nežinome, kaip tai pateikti,“ sako jis. „Bet kai ką turime.“

* Neaukštos energijos neutrinai su materija reaguoja taip silpnai, kad šviesmečio (9,5 trilijonų km) storio švino sluoksnis sulaikytų vos pusę jų srauto [1].