Как експеримент с плазмено огнено кълбо в ЦЕРН намира пукнатини в Стандартния модел

Изследователи от ЦЕРН успяха да пресъздадат плазмени "огнени топки" в лаборатория. Този експеримент, първият по рода си, би могъл най-накрая да обясни защо липсват определени гама лъчи от далечни галактики. Оказва се, че виновникът може да не е това, което всички очакваха, и отговорът се крие в една фина, но решаваща характеристика на междугалактическото пространство.

Новото изследване, представено в Proceedings of the National Academy of Sciences, е предназначено да проучи как плазмените струи се излъчват от блазари.

Вместо просто обяснение обаче, изследователите са открили нещо в ЦЕРН, което може да оспори Стандартния модел на физиката.

Блазари и гама лъчи

Заобиколени от свръхмасивни черни дупки, блазарите са галактики, които излъчват струи от частици и радиация, движещи се със скорост, близка до скоростта на светлината. Струите от тази активност произвеждат гама лъчи, наблюдавани от Земята.

Релативистичните електрон-позитронни плазми са повсеместни в екстремни астрофизични среди, като например магнитосферите на черни дупки и неутронни звезди, където се очаква акреционно-захранваните струи и пулсарните ветрове да бъдат обогатени с електрон-позитронни двойки.

В много случаи се смята, че тяхната роля в динамиката на такива среди е фундаментална, но поведението им се различава значително от типичните електронно-йонни плазми поради симетрията материя-антиматерия на заредените компоненти.

Докато тези гама лъчи преминават през космоса, те се разсейват от звездните фонови лъчи, произвеждайки електрон-позитронни двойки. От своя страна тези двойки би трябвало да се разсейват от микровълновото фоново лъчение, за да се преобразуват в гама лъчи с по-ниска енергия, но подобна активност никога не е наблюдавана.

Художествено изображение на черна дупка, излъчваща струя гореща плазма. Международен екип от учени, ръководен от Катедрата по физика в Оксфордския университет, е генерирал експериментално плазмени "огнени топки", откривайки нова граница в лабораторната астрофизика. Кредит: NASA/JPL-Caltech

Изследователите отдавна обсъждат защо това е така, но досега експерименталната неспособност да се произвеждат големи количества позитрони в квазинеутрални лъчи е ограничила разбирането на плазмите на електрон-позитронните двойки до прости числени и аналитични изследвания, които са доста ограничени.

Но сега, неотдавнашната работа в ЦЕРН представя първите експериментални резултати, потвърждаващи генерирането на високоплътни, квазинеутрални, релативистични електрон-позитронни двойки струи, използвайки лъч с енергия 440 GeV/c в ускорителя Super Proton Synchrotron (SPS).

И благодарение на тези резултати може би най-накрая има отговор.

Предложени са две основни хипотези, които обясняват проблема.

Едната е, че слабите междугалактически магнитни полета отклоняват гама лъчите с по-ниска енергия извън нашата линия на видимост.

Другата идея е, че тъй като материята е толкова разредена в областите на пространството, през които лъчите пътуват, те губят стабилност. Ако това се случи, то би довело до малки флуктуации в потока на струите, което би довело до по-нататъшна дестабилизация и разсейване на енергията им.

Експериментът Fireball (ognena topka), инсталиран в HiRadMat. Кредит: Gianluca Gregori

Създаване на плазмени огнени топки в ЦЕРН

Зад последните тестове стои сътрудничество между изследователи между Оксфордския университет и Централния лазерен център на Съвета за научни и технологични съоръжения, работещ в съоръжението HiRadMat на ЦЕРН.

След генериране на електрон-позитронните двойки с помощта на суперпротонния синхротрон, изследователите ги прокарват през еднометрова околна плазма, за да създадат лабораторен модел на двойки, задвижвани от блазар, движещи се през междугалактическа плазма. Това позволява на учените да следят отблизо случващото се, измерват профила на струята и сигнатурите на магнитното поле, за да видят как те влияят на нестабилността на лъча и плазмата.

КАК РАБОТИ: Протон (най-вляво) от ускорителя Super Proton Synchrotron (SPS) в ЦЕРН се сблъсква с въглеродни ядра (малки сиви сфери). Това произвежда поток от различни частици, включително голям брой нестабилни неутрални пиони (оранжеви сфери). Разпадайки се, те излъчват високоенергийни гама лъчи (жълти вълнообразни стрелки), които след това взаимодействат с електрическото поле на танталовите ядра (големи сиви сфери) и генерират електрон-позитронни двойки, което води до образуването на електрон-позитронно плазмено огнено кълбо. Поради тези каскадни ефекти, един протон може да генерира много електрони и позитрони, което прави производството на тази двойка плазма изключително ефективно. Кредит: University of Rochester Laboratory for Laser Energetics illustration / Heather Palmer

Резултатите са съвсем различни от очакванията на екипа.

Струята е била забележително устойчива, поддържайки тесен, успореден път без значителни смущения или самогенерирани магнитни полета. От този резултат екипът предполага, че нестабилностите между струята и плазмата са твърде слаби, за да обяснят липсващите гама лъчи, което показва, че в междугалактическата среда се крие магнитно поле, останало от ранната Вселена.

"Нашето проучване демонстрира как лабораторните експерименти могат да помогнат за преодоляване на разликата между теорията и наблюдението, подобрявайки разбирането ни за астрофизичните обекти от сателитни и наземни телескопи", коментира водещият автор професор Джанлука Грегори (Gianluca Gregori) от Оксфордския университет.

Преосмисляне на ранната Вселена

"Ако наистина има междугалактическо магнитно поле с достатъчна сила, тогава кръговите пръстени от емисия ("двойки ореоли") би трябвало да могат да се открият около блазарите, наблюдавани от обсерваторията "Масив от черенковски телескопи (CTAO - Cherenkov Telescope Array Observatory), която вече е в процес на завършване на обекти в Чили и Канарските острови", посочва Грегори пред The ​​Debrief.

Ефект на Черенков

През 1934 г. Павел Черенков и Сергей Вавилов забелязват, експериментирайки с гама лъчи, че когато те попаднат в течност предизвикват в нея слабо, но забележимо излъчване, защото високоенергийните фотони избиват електрони и ги ускоряват до скорости по-високи от скоростта на светлината във вода. Този ефект, наречен ефект на Черенков, широко се прилага днес за откриване на космически лъчи и за улавяне на неутрино.

Анимация на лъчението на Черенков. Източник: wikimedia 

Скоростта на светлината в някаква среда е винаги по-ниска от скоростта на светлината във вакуум, но нищо не пречи на бързи частици като електроните да се движат по-бързо от нея в същата среда. Това се случва например, в охлаждащата течност на ядрен реактор, когато през водата преминават електрони с висока енергия, избити от орбитите си от гама лъчите. Те се движат със скорост, по-голяма от скоростта на светлината във вода. Ефектът на Черенков е оптичният еквивалент на ударната вълна, която причинява свръхзвуков самолет във въздуха.

За да засече кратък импулс от Черенковско лъчение, детекторът трябва да може да заснема изображения със скорост от приблизително един милиард кадъра в секунда. Чувствителността му обаче му позволява да засече дори единични фотони.

Резултатът има последици далеч отвъд това отделно явление. Той също така оспорва преобладаващото схващане, че ранната Вселена е била силно еднородна, оставяйки малко място за зараждане на такова магнитно поле. Преобръщането на подобни очаквания би изисквало нова физика извън Стандартния модел и екипът се надява, че следващото поколение обсерватории ще предостави по-добро потвърждение на техните открития.

"Ако бъдещите наблюдения със CTAO потвърдят нашите открития, единствената възможност е магнитното поле да е с първичен произход", обяснява Грегори. "Наличието на магнитни полета обаче предполага токове, а токове изискват нееднородности, които е трудно да се създадат в ранната Вселена. Така че може да е необходима нова физика."

"Например случайните колебания в плътността на тъмната материя и обикновената материя може да не се синхронизират, ако тъмната материя е съставена от хипотетични частици, наречени аксиони", добавя Грегори. "Това би могло да доведе до еквивалента на термоелектричния ефект (колебанията в температурата и електронната плътност произвеждат ток)."

Продължаване на изследването на Вселената в ЦЕРН

"Друга важна тема за изучаване е как се произвеждат космическите лъчи", отбелязва Грегори. "Има теория, че релативистичните струи са един от основните двигатели за ускоряване на космическите лъчи. Но повечето механизми за ускоряване на частиците изискват магнитни полета. В бъдещи експерименти ще разгледаме по-подробно как космическите лъчи могат да бъдат ускорени в тези системи."

Грегори и колегите му все още намират много информация, която остава да бъде проучена от подобни текущи експерименти в ЦЕРН, което ще предостави на изследователите по-задълбочен поглед върху фундаменталните процеси, лежащи в основата на нашата вселена.

"Беше много забавно да бъда част от иновативен експеримент като този, който добавя ново измерение към граничните изследвания, провеждани в ЦЕРН", коментира професор Субир Саркар (Subir Sarkar) от Катедрата по физика в Оксфордския университет. "Надяваме се, че нашият поразителен резултат ще събуди интереса в общността на плазмената (астро)физика към възможностите за изследване на фундаментални космически въпроси в земна лаборатория за физика на високи енергии."

Справка: Charles D. Arrowsmith et al, Suppression of pair beam instabilities in a laboratory analogue of blazar pair cascades, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2513365122. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2509.09040

Източници: 

Scientists recreate cosmic 'fireballs' to probe mystery of missing gamma rays, University of Oxford

New Physics May Be Needed”: How a Gamma-Ray-Tracing Plasma Fireball Experiment at CERN Put Cracks in the Standard Model, Ryan Whalen, The Debrief

Pioneering lab-generated plasma ‘fireballs’, University of Oxford - Department of Physics

Още по темата

18/06/2025

Физика

Тежки частици, големи тайни: Какво се случи веднага след Големия взрив

18/07/2022

Космос

Високоенергийните космически неутрино идват от блазари

18/07/2019

Физика

Проф. Норберт Пиетрала за суперсиметрията и загубите на симетрия

08/03/2015

Физика

Възможна ли е скорост, по-голяма от скоростта на светлината? В търсене на тахионите