В феврале 2023 года подводный телескоп KM3NeT, заякоренный на глубине трёх километров у берегов Сицилии, зарегистрировал вспышку. Один-единственный мюон прочертил детектор, оставив след энергии в 220 петаэлектронвольт. Это как если бы комар на лету пробил бетонную стену. Источником послужило нейтрино — частица-призрак, которая почти не взаимодействует с веществом. Но энергия этого «призрака» оказалась настолько огромной, что поставила астрофизиков в тупик.
Обычно нейтрино таких энергий рождаются в чёрных дырах или взрывах сверхновых. Однако расчёты показывают: известные космические «ускорители» не способны разогнать частицу до 220 ПэВ. А если и способны, то другие обсерватории, вроде IceCube, уже заметили бы целый поток таких событий. Но поток не виден. Авторы работы предлагают иное объяснение: нейтрино пришло не от астрофизического источника, а от распада сверхтяжёлой частицы — «реликта» из первых мгновений после Большого взрыва. Эта частица, обозначенная X, имеет массу около 4,4 × 10⁸ ГэВ — в 400 миллионов раз тяжелее протона.
Механизм изящен: частица X распадается на пару нейтрино и антинейтрино, и одно из них добирается до Земли. Чтобы такой распад не нарушал астрономические наблюдения гамма-излучения, время жизни X должно быть колоссальным — порядка 10²⁹–10³⁰ секунд. Это в миллиарды раз больше возраста Вселенной. Если возраст Вселенной сжать до одной секунды, то X живёт дольше, чем длится эта секунда. В модели частица X выглядит как связанное состояние двух тяжёлых частиц, похожее на позитроний, только в тысячу миллиардов раз тяжелее. Её свойства естественно вписываются в схемы Великого объединения — теории, объединяющей сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия в единую силу при энергиях около 10¹⁴–10¹⁶ ГэВ.
Такой подход не только объясняет загадочный сигнал, но и связывает его с массой нейтрино. В зависимости от того, является ли нейтрино дираковской или майорановской частицей (то есть совпадает ли она со своей античастицей), модель предсказывает разные сценарии. В одном случае требуется один тип взаимодействия, в другом — другой, и это можно проверить в будущих экспериментах. Если гипотеза верна, мы впервые прикоснулись к физике масштабов, которые навсегда закрыты для земных ускорителей. Одно нейтрино, пойманное в толще воды, может оказаться ключом к пониманию того, как устроена материя на самом глубоком уровне.
Энергия 220 ПэВ примерно равна кинетической энергии летящего комара, но у комара она распределена по триллионам атомов, а здесь сконцентрирована в одной частице размером меньше атомного ядра.
В романе «Контакт» Карла Сагана сверхмощный сигнал из космоса оказывается чертежом машины — здесь одиночное нейтрино может оказаться «чертежом» физики Великого объединения.