Czarne dziury jako naturalne akceleratory cząstek przyspieszają neutrina do niewyobrażalnych energii

Europejscy i amerykańscy fizycy teoretyczni pod kierunkiem profesora Josepha Silka z Uniwersytetu Oksfordzkiego wykazali, że supermasywne czarne dziury obracające się z prędkością bliską maksymalnej (tzw. ekstremalne czarne dziury Kerra) tworzą naturalne akceleratory cząstek - „superkolajdery”, w których zderzenia cząstek osiągają energie od teraelektronowoltów po petaelektronowolty. Mechanizm ten polega na kolizjach pomiędzy cząstkami swobodnie opadającymi z daleka a materią z dysku akrecyjnego zstępującą z retrogradacyjnej wewnętrznej stabilnej orbity; jedna z cząstek wpada w głąb horyzontu zdarzeń, podczas gdy druga zyskuje ultrawysoką energię i zostaje wyrzucona w przestrzeń kosmiczną.

Wyniki tego badania ukazały się w Physical Review Letters i sugerują, że nawet bardzo masywne cząstki, w tym neutrina, mogą być przyspieszane przez czarne dziury do energii porównywalnych z tymi, które mają osiągnąć przyszłe gigantyczne kolajdery, na przykład projektowany na połowę XXI wieku Future Circular Collider w CERN.

Potwierdzeniem tej hipotezy może być niedawne wykrycie przez detektor ARCA w ramach obserwatorium KM3NeT w Morzu Śródziemnym sygnału odpowiadającego neutrinu o rekordowej energii szacowanej na około 220 PeV (220×10^15 eV). Zdarzenie oznaczone jako KM3-230213A zarejestrowano 13 lutego 2023 roku, co stanowiło pierwszą bezpośrednią obserwację neutrina o tak ultrawysokiej energii. Wynik ten publikuje czasopismo Nature, a detekcja może być właśnie efektem rozproszenia cząstki przez rotującą supermasywną czarną dziurę.

Fizycy z Uniwersytetu Oksfordzkiego i ich współpracownicy proponują, by dalsze obserwacje najbliższych supermasywnych czarnych dziur – takich jak Sagittarius A* w centrum Drogi Mlecznej czy M87* – oraz kolejne detekcje ultra-wysokoenergetycznych neutrin pozwoliły na weryfikację mechanizmu działania tych naturalnych superkolajderów. Dzięki nim będzie można nie tylko testować granice Modelu Standardowego fizyki cząstek, ale również poszukiwać ewentualnych sił natury wykraczających poza jego ramy.

Ultrawysokoenergetyczne neutrina to najmniejsze i najlżejsze cząstki materii, przyspieszane do prędkości niemal równej prędkości światła. Ich astrofizyczne źródła pozostają niepewne: wskazuje się zarówno na gorące pozostałości po eksplozjach supernowych w naszej galaktyce, jak i na aktywne jądra odległych galaktyk czy obłoki gazowe przy supermasywnych czarnych dziurach. Aby rozwikłać ich pochodzenie, w ostatnich dwóch dekadach powstały podwodne i podlodowe obserwatoria neutrin – od rosyjskich instalacji Bor i Baikal, przez antarktyczne IceCube, aż po śródziemnomorskie KM3NeT.