Учёные предлагают использовать чёрные дыры в качестве суперколлайдеров

Поскольку сокращение федерального финансирования влияет на результаты исследований, проводившихся десятилетиями, учёные могут обратиться к чёрным дырам в поисках более дешёвых и естественных альтернатив дорогостоящим установкам для поиска тёмной материи и других неуловимых частиц, которые могут пролить свет на самые сокровенные тайны Вселенной, как предполагает новое исследование сверхмассивных чёрных дыр, проведённое в Университете Джонса Хопкинса.

Полученные результаты могут помочь дополнить многомиллиардные расходы и десятилетия строительства, необходимые для таких исследовательских комплексов, как Большой адронный коллайдер в Европе, крупнейший и самый высокоэнергетический ускоритель частиц в мире.

«Одна из больших надежд, связанных с коллайдерами частиц, такими как Большой адронный коллайдер, заключается в том, что они будут генерировать частицы тёмной материи, однако мы пока не видели никаких доказательств», — говорит соавтор исследования Джозеф Силк, профессор астрофизики в Университете Джонса Хопкинса и Оксфордском университете.

«Вот почему сейчас ведутся дискуссии о создании гораздо более мощной версии, суперколлайдера следующего поколения. Но пока мы вкладываем 30 миллиардов долларов и ждем 40 лет, чтобы построить этот суперколлайдер, природа может дать представление о будущих [открытиях] с помощью сверхмассивных черных дыр».

Исследование было опубликовано 3 июня в журнале Physical Review Letters.

Коллайдеры частиц сталкивают протоны и другие субатомные частицы друг с другом почти со скоростью света, раскрывая самые фундаментальные аспекты материи. Слабые энергетические вспышки и частицы, образующиеся в результате столкновения, могут выявить ранее неизвестные частицы, в том числе потенциальных кандидатов на роль тёмной материи — важнейшего, но призрачного компонента Вселенной, который учёным ещё предстоит обнаружить. Такие установки, как Большой адронный коллайдер — кольцевой туннель длиной 27 километров, — также помогли преобразовать интернет, методы лечения рака и высокопроизводительные вычисления.

Чёрная дыра может вращаться вокруг своей оси, как планета, но с гораздо большей скоростью из-за своего сильного гравитационного поля. Учёные всё чаще обнаруживают, что некоторые быстро вращающиеся массивные чёрные дыры в центрах галактик испускают огромные потоки плазмы, вероятно, из-за джетов/струй, питающихся энергией их вращения и окружающих аккреционных дисков.

Новое исследование показывает, что эти явления потенциально могут давать те же результаты, что и созданные человеком суперколлайдеры.

«Если сверхмассивные черные дыры могут генерировать эти частицы в результате высокоэнергетических столкновений протонов, то мы можем получить сигнал на Земле — какую-нибудь действительно высокоэнергетическую частицу, быстро проходящую через наши детекторы», — говорит Силк, который также является исследователем в Институте астрофизики в Париже и в Оксфордском университете.

«Это было бы доказательством существования нового коллайдера частиц внутри самых загадочных объектов во Вселенной, достигающего энергий, недостижимых ни в одном земном ускорителе. Мы бы увидели что-то со странной сигнатурой, что, возможно, стало бы доказательством существования тёмной материи, что немного притянуто за уши, но это возможно».

Новое исследование показывает, что «газовые потоки», устремляющиеся к чёрной дыре, могут поглощать энергию её вращения, становясь гораздо более интенсивными, чем предполагали учёные. Рядом с быстро вращающейся чёрной дырой эти частицы могут хаотично сталкиваться. Хотя эти процессы и не идентичны, они похожи на столкновения, которые учёные создают с помощью интенсивных магнитных полей для ускорения частиц в кольцевом туннеле коллайдера высоких энергий.

«Некоторые частицы, образовавшиеся в результате этих столкновений, попадают в горловину чёрной дыры и исчезают навсегда. Но из-за их энергии и импульса некоторые из них также выходят наружу и именно те, что выходят, ускоряются до беспрецедентно высоких энергий», — сказал Силк.

«Мы выяснили, насколько мощными могут быть эти пучки частиц: такими же мощными, как в суперколлайдере или даже более мощными. Очень сложно сказать, каков предел возможностей, но они определённо соответствуют энергии новейшего суперколлайдера, который мы планируем построить, так что они определённо могут дать нам дополнительные результаты».

По словам Силка, для обнаружения таких высокоэнергетических частиц ученые могут использовать обсерватории, которые уже отслеживают сверхновые, извержения массивных черных дыр и другие космические события.

К ним относятся такие детекторы, как нейтринная обсерватория IceCube на Южном полюсе или нейтринный телескоп Kilometer Cube, который недавно обнаружил самое энергичное нейтрино, когда-либо зарегистрированное под Средиземным морем.

«Разница между суперколлайдером и чёрной дырой в том, что чёрные дыры находятся далеко, — сказал Силк. — Но, тем не менее, эти частицы доберутся до нас».

Автором исследования также является Эндрю Маммери, физик-теоретик из Оксфордского университета.
   

Больше интересных статей, которые я не успеваю переводить, но которые можно почитать через онлайн-переводчики, можно найти здесь: t.me/murrrzio

murrrzio

You can view and join @murrrzio right away.