Физики доказали, что теория относительности Эйнштейна применима ко всем известным источникам светового излучения во Вселенной. Наследие Альберта Эйнштейна сыграло ключевую роль в формировании института современной физики. Его постулаты постоянно подвергаются практическим испытаниям по мере того, как развивается наука и человечество получает все больше инструментов для изучения Вселенной. Например, все мы со школьной доски помним, что свет всегда движется с одной и той же скоростью — в вакууме она составляет примерно 300 000 000 м/с. Но недавно физики решили провести еще один эксперимент, испытывающий теорию на прочность.
Лоренц-инвариативность является фундаментальным принципом специальной теории относительности. Она выражает то, что, независимо от того, в какой области Вселенной вы находитесь, законы физики — включая скорость света — остаются неизменными. Однако существуют теории, предполагающие, что инвариантность Лоренца может быть нарушена при очень высоких энергиях. Если это правда — нам понадобятся новые законы физики. Как узнать, нарушается ли лоренц-инвариативность? Все просто: в таком случае при очень высокой энергии будут наблюдаться феномены, несовместимые с относительностью. Например, свет начнет распространяться с разной скоростью!
Вот здесь на сцену и выходят гамма-лучи. Они представляют собой тип света с наименьшей длиной волны, обладающий наибольшей энергией в электромагнитном спектре, создаваемом радиоактивным распадом атомных ядер. Гамма-радиацию излучают сверхновые, нейтронные звезды, звездные вспышки и области вокруг черных дыр — иными словами, крайне экстремальные космические явления. Если бы гамма-лучи ускорились при нарушении лоренц-инвариантности, фотоны гамма-лучей распались бы на частицы с более низкой энергией, прежде чем достигнут Земли. Собственно, эти частицы больше не будут гамма-лучами.
Обсерватория HAWC, расположенная высоко в горах, оснащена детектором Черенкова. Это детектор гамма-излучения, предназначенный для обнаружения гамма-лучей с самой высокой энергией, от 100 миллиардов до 100 триллионов электронвольт (от 100 гигаэлектронвольт, или ГэВ, до 100 тераэлектронвольт, или ТэВ). Это примерно в 100?100 триллионов раз больше энергии видимого света — если бы мы могли ее видеть, она бы ослепила.
Сам же детектор состоит из множества резервуаров, заполненных водой, с фотоумножителями, которые могут обнаруживать свет. Когда гамма-луч попадает в верхние слои атмосферы, он теряет энергию из-за взаимодействия с атмосферными молекулами, создавая каскадный поток частиц, движущихся со скоростью света. Обсерватория HAWC предназначена для обнаружения именно этих частиц. Когда они входят в воду на высоких скоростях, то движутся сквозь нее быстрее, чем свет. Это создает «люминальный бум», который производит ультрафиолетовое свечение. Оно называется «черенковским излучением», и именно его улавливают фотоумножители.
Чем выше энергия гамма-лучей — тем больше частиц. Недавно HAWC обнаружила в космосе излучение с энергией выше 100 ТэВ. Однако даже при таком высоком пороге оно не демонстрирует никаких признаков распада фотонов. Что это значит? Для ученых это хорошие новости: лоренц-инвариативность не нарушена, а значит специальная теория относительности все еще валидна и нам не нужно изобретать новые физические законы. В будущем исследователи надеются изучить еще более высокоэнергетическое излучение и узнать, не наблюдаются ли отклонения при куда большей энергии. Чем выше энергия гамма-лучей, тем больше частиц в получающемся ливне. Вот как физики могут различать энергии гамма-лучей.
