Нейтрино мало гамма-всплесков

Возникновение космических лучей сверхвысокой энергии не удалось объяснить гамма-всплесками

Возникновение космических лучей сверхвысоких энергий пока не удается объяснить гамма-всплесками: антарктическая нейтринная обсерватория IceCube за два года работы вообще не обнаружила высокоэнергетических нейтрино, которые, согласно теоретическим моделям, должны были возникнуть в результате таких всплесков. Теперь ученым предстоит корректировать теорию, объясняющую рождение космических лучей сверхвысоких энергий.

Ежесекундно в атмосферу нашей планеты со всех сторон врезаются мириады заряженных частиц. В основном это ускоренные до околосветовых скоростей ядра атомов водорода (протоны), хотя среди них встречаются и ядра гелия, и другие тяжелые частицы. Многие из них преодолели длинный путь, начав свое путешествие у других звезд и даже галактик, — это космические лучи (КЛ). Их потоки пронизывают межзвездную и межгалактическую среду. А их изучение пополняет наши знания не только об этой среде и механизмах, породивших КЛ, но и об элементарных частицах вообще.

Последнее возможно потому, что энергии частиц КЛ порой достигают огромных значений. На сегодняшний день зарегистрированы частицы с энергиями до 10²⁰ электронвольт. Это сравнимо с энергией теннисного мяча, пущенного со скоростью 90 км/ч (правда он при этом несёт гораздо больший импульс).

И на порядки превышает энергию протонов в Большом адронном коллайдере.

Заряженные частицы, разогнанные в природных ускорителях почти до скорости света, сталкиваются с атомами атмосферы Земли и порождают лавину вторичных частиц-осколков, которые уже можно изучать непосредственно или наблюдать излучение от них. Это очень похоже на то, что происходит в ускорителях, построенных человеком.

К слову, мюон и позитрон были впервые открыты именно при изучении космических лучей.

Но что же придает космическим лучам такую большую энергию? На этот вопрос еще нет исчерпывающего ответа. Основным природным ускорителем частиц внутри Галактики, вероятно, являются вспышки сверхновых звезд. В них частицы разгоняются ударными волнами, возникающими во время взрыва. Однако таким способом можно создать частицы с энергиями, не превышающими 10¹⁶ электронвольт. А для объяснения сверхвысоких энергий необходимо привлекать иные механизмы.

В качестве одного из таких механизмов физики предложили

ускорение частиц в направленных выбросах вещества космических гамма-всплесков.

Эти явления, как считается, во многом похожи на вспышки сверхновых и связаны с коллапсом ядра очень массивной звезды. Но в данном случае коллапс сопровождается наблюдением мощной вспышки гамма-излучения, видимой с расстояния в миллионы световых лет.

Если во время гамма-всплеска действительно возникают протоны сверхвысоких энергий, то в результате их взаимодействия с потоком гамма-излучения будут рождаться ещё и энергичные нейтрино – лёгкие и «маленькие» нейтральные частицы. В силу своей легкости они движутся почти так же быстро, как свет, и могут быть обнаружены на Земле почти одновременно с регистрацией вспышки гамма-излучения.

Тип, энергию и количество таких нейтрино можно предсказать теоретически. А значит,

описываемая гипотеза может быть проверена экспериментально в рамках наблюдений за потоками нейтрино, сопутствующими гамма-всплескам.

Именно такой проверке и посвящена работа физиков проекта IceCube, опубликованная в журнале Nature.

Вообще говоря, регистрация нейтрино — задача весьма трудоемкая. Они крайне слабо взаимодействуют с веществом. Поэтому, несмотря на то что ежесекундно каждый квадратный сантиметр поверхности нашей планеты пронизывают десятки миллиардов этих частиц (практически все они идут к нам от Солнца), для того чтобы зарегистрировать хотя бы одну из них, необходимо постоянно следить за как можно большим объемом вещества. Случайное столкновение нейтрино с одним из атомов рабочего вещества приведет к короткой вспышке света, которую уже легко обнаружить современными детекторами.

Именно на этом принципе основана работа современных нейтринных телескопов, такие как установка на Баксанской нейтринной обсерватории в России или телескоп IceCube на Южном полюсе.

В последнем случае в качестве рабочего вещества используется толща антарктического льда. В нем пробурены 86 скважин глубиной 2,5 км, в которые спущены тросы с оптическими детекторами.

Сами детекторы, общим числом более пяти тысяч, располагаются на глубине от 1,5 до 2,5 километров.

Такая конструкция позволяет просматривать около одного кубического километра антарктического льда, что, собственно, и дало название всему проекту.

На тот момент, однако, когда проводился поиск нейтрино от гамма-всплесков, обсерватория IceCube еще не работала в полную мощность – только 59 из 86 её «нитей» были введены в строй. Но даже в таком режиме IceCube, по расчетам физиков, должна была за два года зарегистрировать почти десяток нейтрино высоких энергий от гамма-всплесков.

В действительности же

установка не зарегистрировала, строго говоря, ни одного нейтрино в ожидаемом диапазоне энергий.

Что, с учетом случайного характера таких событий, позволяет установить верхнюю границу потока этих частиц. И эта граница оказывается почти в четыре раза ниже предсказанного значения.

Этот результат означает, что теорию, объясняющую рождение космических лучей сверхвысоких энергий в гамма-всплесках следует как минимум подкорректировать. Данная теория не обязательно полностью неверна: возможно, мы просто переоцениваем вклад предлагаемого в ней механизма в формирование энергетического спектра космических лучей.