Sciencemag.cz
Doporučujeme
V roce 2023 narazilo do Země neutrino s tak vysokou energií, že se to zdálo být nemožné. Ve vesmíru neexistují žádné známé zdroje, které by byly schopné dodat takovou energii – 100 000krát větší než nejenergetičtější částice, jaká byla kdy vyprodukována na (nejvýkonnějším současném) urychlovači LHC v CERNu. Tým fyziků z University of Massachusetts v Amherstu však nedávno vyslovil hypotézu, že k něčemu takovému by mohlo dojít, když exploduje zvláštní druh černé díry, tzv. „kvazi-extrémní primordiální černá díra“. V nové studii vědci současně ukazují, že taková událost by mohla pomoci rozřešit celou řadu záhad současné fyziky/kosmologie.
Primordiální černé díry (PBH) by nevznikaly gravitačním kolapsem vyhořelé těžké hvězdy, ale v podmínkách velké hustoty hmoty/energie krátce po velkém třesku. Nevíme, zda vůbec existují. Pokud ano, měly by ovšem vyzařovat Hawkingovým zářením. „Čím je černá díra lehčí, tím by měla být teplejší a tím více částic bude vyzařovat,“ říká spoluautorka nového výzkumu Andrea Thamm. „Jak se PBH odpařují, stávají se stále lehčími a teplejšími a vyzařují ještě více záření v nekontrolovatelném procesu až do exploze. Právě toto Hawkingovo záření mohou naše dalekohledy detekovat.“
Kdybychom takovou explozi pozorovali, získali bychom úplný katalog všech existujících subatomárních částic, včetně těch, které jsme již pozorovali, jako jsou elektrony, kvarky a Higgsovy bosony, i těch, o kterých máme pouze hypotézy, jako jsou částice temné hmoty, a také všeho ostatního, co je dosud vědě zcela neznámé. Tým UMass Amherst již dříve prokázal, že k takovým explozím může docházet s překvapivou četností – přibližně každých deset let – a pokud bychom jim věnovali pozornost, už naše současné přístroje pro pozorování vesmíru by tyto exploze mohly dokázat zaznamenat.
To vše byla jen teorie, v roce 2023 ale experiment KM3NeT Collaboration zachytil výše zmíněné zdánlivě nemožné neutrino – přesně ten druh důkazu, o kterém tým z UMass Amherst předpokládal, že bychom jej mohli brzy vidět. Byl tu však problém: podobný experiment s názvem IceCube, který byl také zřízen za účelem zachycení vysokoenergetických kosmických neutrin, nejenže tuto událost nezaznamenal, ale nikdy nedetekoval ani nic s pouhou setinou její intenzity. Pokud je vesmír relativně hustě vyplněn primordiálními černými děrami a ty často explodují, neměli bychom být vysokoenergetickými neutriny přímo zasypáni? Čím lze vysvětlit tento rozpor?
„Domníváme se, že PBH s temným nábojem (dark charge) – které nazýváme kvazi-extrémními PBH – jsou chybějícím článkem,“ říká spoluautor studie Joaquim Iguaz Juan. Temný náboj je v podstatě kopií běžné elektrické síly, jak ji známe, ale zahrnuje velmi těžkou, hypotetickou verzi elektronu, tzv. temný elektron.
„Existují i jiné, jednodušší modely PBH,“ říká další ze spoluautorů práce Michael Baker, „náš model temného náboje je složitější, což znamená, že může poskytovat přesnější model reality. Skvělé je, že náš model dokáže vysvětlit tento jinak nepochopitelný jev.“
Tým je přesvědčen, že jejich model PBH s temným nábojem může nejen vysvětlit záhadné neutrino, ale také povahu temné hmoty. Mohlo by existovat významné množství PBH, což by bylo v souladu s jinými astrofyzikálními pozorováními a vysvětlovalo by (mohlo by vysvětlovat) veškerou chybějící temnou hmotu ve vesmíru. Vedle toho jsme možná na prahu experimentálního ověření Hawkingova záření a objevů nových částic mimo Standardní model částicové fyziky.
Explaining the PeV neutrino fluxes at KM3NeT and IceCube with quasi-extremal primordial black holes, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/r793-p7ct. On arXiv : DOI: 10.48550/arxiv.2505.22722
Zdroj: University of Massachusetts Amherst / Phys.org, přeloženo / zkráceno
Nemusíme být takovými událostmi zasypáni a ve skutečnosti jsme mohli mít obrovské štěstí. Je docela možné, že takové neutrino je spojeno s přímým zánikem černé díry. Vyzářena budou samozřejmě neutrina dvě, kvůli zachování hybnosti. Každé na opačnou stranu. A konec. I kdyby k takové události docházelo miliardkrát za sekundu ve známém vesmíru, nemusíme to vůbec zaznamenat. Šance, že nás taková částice zasáhne a zároveň ji zachytíme, je skutečně mizivá.
Druhá věc je ta, že ono neutrino mohlo být ještě energetičtější, než bylo zachyceno. Když vezmeme v úvahu, že nevíme jak dlouho k nám letělo, je docela možné, že k onomu vypaření černé díry mohlo dojít těsně po velkém třesku. Třeba už žádné primordiální černé díry neexistují a tohle je jejich testament.