В экзотическом мире физики элементарных частиц нейтрино, пожалуй, самые загадочные представители. Они практически не взаимодействуют с другим веществом, имеют фактически нулевую массу и не имеют электрического заряда. Эти особенности делают их очень сложными для исследования. Даже для их обнаружения нужны специальные установки, расположенные в глубоких пещерах, толстом льду Антарктиды или на дне океана.
Фиксация энергетического нейтрино
Один из самых мощных детекторов нейтрино называется KM3NeT, расшифровывающийся как «Кубический километровый нейтринный телескоп». Он расположен на дне Средиземного моря, и в феврале 2023 года он зафиксировал самое энергетическое нейтрино, когда-либо наблюдавшееся. Оно получило название KM3-230213A, а его энергия, по оценкам, составляла 220 ПЭВ (220×10¹⁵ электрон-вольт или 220 миллионов миллиардов электрон-вольт). Это невероятное количество энергии, и с момента его обнаружения физики пытаются определить его источник.
Нейтрино происходят из высокоэнергетической Вселенной. Это мир катастрофических сверхновых, гамма-вспышек, килоновых и других чрезвычайно энергетических событий. Только они способны придать частицам столь высокую энергию. Однако отследить происхождение KM3-230213A относительно одного из этих событий было сложной научной задачей, не говоря уже об определении их источника.
Детекторы нейтрино действительно не обнаруживают сами нейтрино. Они обнаруживают вторичные частицы или черенковское излучение, которое возникает в редких случаях, когда нейтрино взаимодействует с другим веществом. В случае KM3-230213A был обнаружен мюон.
Поиск источника излучения
После тщательного исследования этого высокоэнергетического явления ученые, связанные с проектом KM3NeT, опубликовали свои результаты в журнале Nature. Исследование называется «Наблюдение космического нейтрино сверхвысокой энергии с помощью KM3NeT». В качестве автора указана коллаборация KM3NeT.
«Обнаружение космических нейтрино с энергией сверх тераэлектронвольт (ТэВ) открывает уникальные возможности для исследования астрофизических явлений, — заявляют ученые. — Будучи электрически нейтральными и взаимодействуя только посредством слабого взаимодействия, нейтрино не отклоняются магнитными полями и редко поглощаются межзвездным веществом: направление их движения указывает на то, что их космическое происхождение может быть связано с самыми отдаленными уголками Вселенной».
Высокоэнергетические нейтрино имеют конкретные источники. Они образуются при взаимодействии ультрарелятивистских протонов или ядер космического излучения с веществом или фотонами. По словам ученых, наблюдая за нейтрино, они как бы рассматривают «подпись» самого процесса. Исследователям удалось проследить путь высокоэнергетического нейтрино до места его происхождения, но не с точностью до миллиметра. В ходе работы было выявлено четыре типа потенциальных источников: галактическое, местное, временное и внегалактическое происхождение.
В своей статье авторы напоминают, что энергия в KM3-230213A была гораздо больше, чем в любом другом обнаружении до сих пор. Есть лишь несколько причин, почему оно могло быть столь энергетическим. Либо оно происходило из другого космического объекта, чем другие менее энергетические нейтрино, или это пример космогенного нейтрино.
Является ли это космогенным нейтрино?
В настоящее время космогенные нейтрино остаются в основном гипотетическим явлением, поскольку их еще не удалось четко зафиксировать. Они образуются, когда космические лучи сверхвысокой энергии — протоны или более тяжелые ядра, движущиеся со скоростью, близкой к световой, — сталкиваются с фотонами космического микроволнового фона, реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва. Удар создает цепь распада и каскадный поток других частиц, включая нейтрино сверхвысокой энергии, такие как KM3-230213A.
Космогенные нейтрино вызывают интерес по нескольким причинам. Они способны непосредственно указывать на свои источники — активные ядра галактик, гамма-вспышки или даже слияния галактик. Поскольку такие частицы образовывались на протяжении всей истории Вселенной, они могут служить своеобразными зондами ее ранних этапов. К тому же их энергии значительно превышают все, что мы способны воспроизвести в ускорителях частиц, поэтому их изучение открывает путь к физике за пределами Стандартной модели. Иными словами, это настоящая научная находка.
В своей статье ученые объясняют, что это событие могло быть вызвано космогенным нейтрино, и это объяснение является реальной альтернативной гипотезой.
Без четкого вывода
Все сводится к очень высокой энергии нейтрино. «Это свидетельствует о том, что нейтрино могло возникнуть в другом космическом ускорителе, чем нейтрино с более низкой энергией, или это может быть первым обнаружением космогенного нейтрино, являющегося результатом взаимодействия космических лучей сверхвысокой энергии с фоновыми фотонами во Вселенной», — пишут они.
Понимание этих высокоэнергетических нейтрино будет зависеть от будущих нейтринных обсерваторий и существующих. Проект KM3NeT расширяется за счет установки дополнительных детекторов. Это позволит не только более эффективно выявлять нейтрино, но и точнее определять их источники в космосе.
По материалам phys.org
