Космическое пространство заполнено не только пылью, но и элементарными частицами, движущимися в различных направлениях. Частицы с высокой энергией способны преодолевать лишь ограничённые расстояния, прежде чем потерять свою энергию.

В октябре 2022 года на Земле был зафиксирован самый яркий из известных гамма-всплесков — GRB 221009A. Этот всплеск доставил к земным детекторам фотоны, возникшие в результате взрыва на расстоянии около двух миллиардов световых лет от планеты.

В потоке этого излучения исследователи, использовавшие детектор Carpet Баксанской обсерватории, обнаружили уникальный фотон с энергией примерно 300 тераэлектронвольт. Это самая высокая энергия фотона гамма-всплеска, когда-либо зарегистрированная. Согласно существующим физическим моделям, такой фотон не должен был достичь Земли.

Во время своего путешествия через Вселенную фотон должен был взаимодействовать с реликтовым излучением, оставшимся после Большого взрыва, которое пронизывает космос. Ожидалось, что частица подвергнется превращениям и столкновениям, и вероятность её прибытия на Землю была крайне мала.

Существуют предположения о возможных механизмах, позволивших фотону преодолеть это расстояние. Одним из них является временное превращение фотона в аксионоподобную частицу — гипотетическую, чрезвычайно лёгкую элементарную частицу, — с последующим возвращением в исходное состояние вблизи Млечного Пути. Однако ранее подобная модель объясняла только фотоны с энергией в несколько десятков тераэлектронвольт, что недостаточно для объяснения наблюдаемого явления.

Астрофизики предложили новую модель, сочетающую аксионоподобные частицы с нарушением лоренцевской инвариантности — одного из фундаментальных свойств специальной теории относительности. В некоторых моделях квантовой гравитации при очень высоких энергиях фотон может избежать взаимодействий, которые в рамках стандартной модели привели бы к его уничтожению во время путешествия. Согласно предложенной модели, такие фотоны получают возможность перемещаться по своеобразной «скоростной полосе».

Модель не требует изменения физических законов в целом, а учитывает специфические эффекты, которые невозможно наблюдать при более низких энергиях.

Кроме объяснения того, как фотон достиг Земли, модель предсказывает новый эффект: фотон с энергией 300 тераэлектронвольт должен был прибыть примерно на час позже фотонов с меньшей энергией. Этот эффект был подтверждён по данным, собранным китайской Большой высотной обсерваторией атмосферных ливней (LHAASO) в тот же день.

Научная статья по этим результатам принята к публикации в журнале Physical Review Letters.