„Particula fantomă” care a lovit Pământul cu o putere „imposibilă”, în Mediterană, ar putea proveni din explozia unei găuri negre rare

O „particulă-fantomă” cu o putere considerată până acum imposibilă, care a lovit recent Pământul, ar fi putut proveni dintr-un tip rar de gaură neagră aflată în explozie, susțin cercetătorii. Dacă acest lucru se confirmă, evenimentul extraordinar ar putea demonstra o teorie capabilă să răstoarne înțelegerea noastră atât asupra fizicii particulelor, cât și asupra materiei întunecate, afirmă echipa, potrivit Live Science.

Totuși, aceasta este doar una dintre ipoteze, iar în prezent nu există dovezi directe care să confirme că acesta a fost cu adevărat mecanismul implicat.

La începutul anului 2023, cercetătorii de la Telescopul de Neutrini Cubic Kilometre (KM3NeT) — o rețea masivă, recent construită, de senzori amplasați pe fundul Mării Mediterane — au detectat un neutrino, o „particulă fantomă” care are aproape zero masă și interacționează foarte slab cu materia obișnuită.

Pe lângă comportamentul deja neobișnuit al neutrinilor, această particulă s-a remarcat prin intensitatea sa extremă. Ea a lovit planeta noastră cu o energie estimată de până la 220 de cvadrilioane de electronvolți, de cel puțin 100 de ori mai mare decât cea a oricărui alt neutrino detectat până acum și de aproximativ 100.000 de ori mai mare decât orice s-a observat vreodată în acceleratoarele de particule construite de om, precum Marele Accelerator de Hadroni de la CERN.

Explicarea imposibilului

Inițial, cercetătorii nu au fost siguri ce a determinat apariția acestui neutrino „imposibil”. Este posibil ca el să fi fost generat atunci când o rază cosmică a pătruns în atmosfera Pământului, declanșând o cascadă de particule cu energie ridicată care au ajuns până la suprafața planetei. Totuși, puterea sa fără precedent i-a determinat pe experți să presupună că trebuie să fi avut originea într-un eveniment cosmic de mare energie, pe care nu îl înțelegem încă pe deplin.

Într-un nou studiu, acceptat pentru publicare în revista Physical Review Letters, un grup de cercetători consideră că a identificat în cele din urmă sursa reală a neutrino-ului: o gaură neagră primordială (PBH) aflată în explozie.

Găurile negre primordiale sunt o clasă ipotetică de găuri negre extrem de mici — posibil variind de la dimensiunea unui atom până la cea a unui vârf de ac — și care ar data, cel mai probabil, din primele momente de după Big Bang.

Conceptul a fost popularizat pentru prima dată de fizicianul britanic Stephen Hawking la începutul anilor 1970, acesta sugerând și că aceste singularități miniaturale ar emite cantități mari de particule cu energie ridicată, cunoscute sub numele de radiație Hawking, pe măsură ce se evaporă lent. În teorie, acest proces ar însemna și că ele pot exploda.

„Cu cât o gaură neagră este mai ușoară, cu atât ar trebui să fie mai fierbinte și să emită mai multe particule”, a declarat într-un comunicat Andrea Thamm, coautor al studiului și fizician teoretician la Universitatea din Massachusetts Amherst.

„Pe măsură ce găurile negre primordiale se evaporă, ele devin din ce în ce mai ușoare și, implicit, mai fierbinți, emițând tot mai multă radiație într-un proces accelerat, până la explozie.”

„O gaură neagră primordială cu sarcină întunecată are proprietăți unice”

Una dintre cele mai mari enigme legate de neutrino-ul „imposibil”, pe lângă puterea sa uriașă, este faptul că nu a fost observat de alte detectoare de neutrini din lume, precum Observatorul de Neutrini IceCube, îngropat sub gheața Antarcticii.

Având în vedere că găurile negre primordiale ar trebui să fie relativ comune în univers, ar fi de așteptat ca particule la fel de puternice să fi fost detectate și înainte sau după acest eveniment, mai ales în contextul în care numărul detectorilor de neutrini este în creștere rapidă.

Cercetătorii spun că acest lucru s-ar explica prin faptul că neutrino-ul a fost emis de un tip special de gaură neagră primordială, denumită PBH cvasi-extremală, care posedă o „sarcină întunecată” — o versiune a forței electrice obișnuite ce implică o variantă ipotetică, foarte grea, a electronului, numită „electron întunecat”.

Proprietățile întunecate ale acestui tip teoretic de gaură neagră ar face mai puțin probabil ca exploziile sale să fie detectate, sugerează cercetătorii. De asemenea, este posibil ca unii dintre neutrinii mai puțin puternici detectați până acum să reprezinte observații parțiale sau incomplete ale unor astfel de evenimente.

„O gaură neagră primordială cu sarcină întunecată are proprietăți unice și se comportă diferit față de alte modele, mai simple, de PBH”, a spus Thamm. „Am arătat că acest lucru poate oferi o explicație pentru toate datele experimentale care par, la prima vedere, contradictorii.”

Răsturnarea înțelegerii cosmice

Deși noua cercetare sugerează existența găurilor negre primordiale cvasi-extremale, ea nu le confirmă și nici nu demonstrează definitiv că acestea explodează așa cum presupun autorii. (De altfel, nici găurile negre primordiale „obișnuite” nu au fost observate direct până acum, deși există un consens puternic că ele există.)

Cu toate acestea, echipa este încrezătoare că nu va dura mult până când aceste explozii întunecate vor fi demonstrate. Același grup de cercetare a prezis recent că există o probabilitate de 90% să asistăm la prima explozie a unei găuri negre primordiale cvasi-extremale până în anul 2035 — un eveniment care ar fi extrem de important din două motive principale.

În primul rând, aceste explozii ar fi atât de puternice încât ar putea emite „un catalog definitiv al tuturor particulelor subatomice existente”, incluzând entități cunoscute, precum bosonul Higgs, particule teoretizate, precum gravitonii sau tahionii care ar călători în timp, precum și „tot ceea ce este, deocamdată, complet necunoscut științei”, au scris cercetătorii în comunicat.

„Ar putea constitui întreaga cantitate de materie întunecată observată în univers”

În al doilea rând, aceste găuri negre ar putea ajuta la dezvăluirea identității misterioase a materiei întunecate — substanța invizibilă pe care nu o putem vedea, dar a cărei forță gravitațională o detectăm în aproape fiecare galaxie observată, inclusiv în Calea Lactee.

Cercetătorii afirmă că găurile negre primordiale cvasi-extremale „ar putea constitui întreaga cantitate de materie întunecată observată în univers”, astfel încât descoperirea uneia ar putea rezolva definitiv acest mister. (În ciuda denumirilor similare, materia întunecată nu este direct legată de sarcina întunecată sau de electronii întunecați.)

Cercetătorii, alături de mai multe alte echipe din domeniile fizicii și cosmologiei, așteaptă acum cu nerăbdare momentul în care prima explozie ar putea fi detectată.

Acest „eveniment incredibil” ar oferi „o nouă fereastră către univers” și ne-ar ajuta să „explicăm acest fenomen altfel inexplicabil”, a declarat într-un comunicat autorul principal al studiului, Michael Baker, fizician teoretician la UMass Amherst.