В октябре 2022 года на Земле зафиксировали самый яркий из наблюдавшихся когда-либо гамма-всплесков GRB 221009A. Он принес к земным детекторам фотоны, образовавшиеся при взрыве на расстоянии примерно в два миллиарда световых лет от нашей планеты.
В этом потоке ученые, работавшие с детектором Carpet Баксанской обсерватории, нашли уникальный фотон с энергией около 300 тераэлектронвольт. Это самая высокая из когда-либо наблюдавшихся энергий для фотонов гамма-всплеска. Она настолько велика, что, согласно современным физическим моделям, он не должен был достичь Земли.
Во время своего путешествия через Вселенную фотон должен был взаимодействовать со слабым реликтовым излучением Большого взрыва, которое пронизывает всю Вселенную. Частица должна была претерпевать превращения и столкновения, достичь Земли для нее было почти невероятным событием.
У ученых есть предположения о том, что могло помочь фотону выжить в этом путешествии. Одни из потенциальных помощников — аксионоподобные частицы (АПЧ), чрезвычайно легкие гипотетические частицы. Фотон мог временно превратиться в такую частицу и потом снова стать собой вблизи Млечного пути. Однако эта модель работала для энергий в несколько десятков тераэлектронвольт. Этого было слишком мало.
Астрофизики выдвинули новое объяснение произошедшего. Их модель сочетает в себе АПЧ с нарушением лоренцевской инвариантности, одного из фундаментальных свойств специальной Теории относительности Эйнштейна
Согласно некоторым моделям квантовой гравитации, при очень высоких энергиях фотон способен избежать взаимодействий, которые в рамках Стандартной модели уничтожили бы его во время путешествия. В соответствии с предложенной учеными моделью, таким фотонам доступна «скоростная полоса» для перемещений.
Авторы исследования подчеркнули, что их модель не требует менять законы физики в целом, а обращает внимание на особые эффекты, которые нельзя пронаблюдать на более низких энергиях.
Модель не только объясняет, как фотону удалось достичь Земли, но и предсказывает новый эффект. По расчетам, фотон с энергией 300 тераэлектронвольт должен был прибыть примерно на час позже, чем фотоны с более низкой энергией. Этот эффект ученые подтвердили по данным, собранным китайской Большой высотной обсерваторией атмосферных ливней (LHAASO) в тот же день.
Научная работа принята к публикации в журнале Physical Review Letters.