Вакуумное черенковское излучение ограничило физику вне Стандартной модели

Расширенный вариант главной физической теории — Стандартной модели — предсказывает, что заряженные частицы могут поляризовать вакуум и излучать фотоны. Бразильский физик-теоретик исследовал этот эффект, известный как вакуумное черенковское излучение, и установил с его помощью ограничения на некоторые параметры теории. Статья опубликована в Physical Review D, полный текст работы можно найти на сайте arXiv.org.

В последнее время физики активно ищут физику за пределами Стандартной модели. Например, недавно ученые с помощью анализа движения Луны установили ограничения на некоторые коэффициенты расширения Стандартной модели (standard model extension, SME), а другая группа уточнила масштабы энергий, на которых будут проявляться эффекты теорий, объединяющих гравитационные и квантовые явления.

Расширение Стандартной модели — одна из таких многообещающих теорий. Эта теория отталкивается от хорошо проверенной при низких энергиях Стандартной модели, к которой добавляются поправки, приходящие из различных областей фундаментальной физики — например, поправки к движению фермионов, учитывающие возможные нарушения лоренц-ковариантности. В результате уравнения движения (в данном примере — уравнение Дирака) изменяются, и возникают новые эффекты, которые не предсказываются классическими теориями и которые могут быть измерены экспериментально. Если мы не видим эти эффекты, это указывает на то, что поправки очень малы. Подробнее почитать о расширении Стандартной модели можно, например, в этой книге. Заметим только, что кроме данного расширения Стандартной модели существует другое «лоренц-нарушающее расширение СМ», разработанное Дамиано Анселми (Damiano Anselmi), и путать эти две теории не следует (хотя спутать их очень просто).

Одним из невозможных в Стандартной модели эффектов является вакуумное черенковское излучение. В SME вакуум перестает быть лоренц-ковариантным, поэтому заряженные массивные частицы могут излучать фотоны даже при отсутствии внешних электромагнитных полей. Грубо говоря, если при обычном черенковском излучении частица поляризует молекулы среды, в которой она распространяется, при вакуумном излучении она поляризует уже сам вакуум. Из-за этого быстрые заряженные частицы должны терять энергию и замедляться. В зависимости от величины коэффициентов SME это будет происходить при больших или меньших энергиях. Поэтому если мы поймаем космическую частицу, имеющую достаточно большую энергию и пришедшую к нам из далекого космоса (то есть не потерявшую энергию из-за излучения), то мы установим ограничения на величину предельной энергии, а значит, и на коэффициенты SME. Поскольку фермионный сектор этой модели исследован не очень хорошо, определение таких ограничений очень важно.

Бразильский физик-теоретик Марко Шрек (Marco Schreck) подробно исследовал вакуумное черенковское излучение и рассчитал, какой вклад вносят в него поправки в фермионном секторе SME, которые раньше не рассматривались. Для этого он рассмотрел два механизма излучения. В первом случае он считал, что спиральность частицы (то есть проекция спина на направление движения, не следует путать со спиральностью из гидродинамики) сохраняется во время излучения. Оказалось, что при каждом значении коэффициента есть некоторый предел энергии частицы, до которого излучение не происходит. При превышении этого предела вероятность излучения растет практически линейно с ростом энергии.

Во втором случае он предполагал, что спин частицы переворачивается в процессе излучения. При этом никакого предела излучения не возникало: вероятность процесса росла степенным образом до какого-то максимума, а потом так же спадала (только показатель степени был другим). Поэтому такой процесс нельзя использовать для установления ограничений на коэффициенты SME — излучение должно происходить при произвольной энергии. В то же время, вероятность этого процесса намного меньше, чем в первом случае, поэтому наблюдать его даже сложнее. Разумеется, если его вообще можно наблюдать, то есть если SME верно и процесс хотя бы в принципе возможен.

Затем теоретик использовал данные обсерватории Пьера Оже (Pierre Auger Observatory), чтобы установить ограничения для тех параметров модели, для которых это возможно. В статье, опубликованной учеными из этой обсерватории, сообщалось о регистрации космических лучей с энергией порядка 10¹⁹ электронвольт. Это довольно большая энергия, и она позволила физику заключить, что коэффициенты при членах SME, ответственных за возникновение вакуумного черенковского излучения, очень малы — не больше, чем 10⁻²² или 10⁻¹¹ (это безразмерные величины).

Мы кратко упоминали о похожем эффекте гравитационного черенковского излучения, когда писали о том, как физики установили границы на скорость распространения гравитационных волн по данным всего четырех экспериментов LIGO. Этот тип излучения возникает, когда скорость фотонов превышает фазовую скорость гравитационных волн, которая, вообще говоря, может не совпадать со скоростью света.

Дмитрий Трунин