Пенсионный советник

Быстрые, неуловимые, внегалактические

Антарктическая обсерватория IceCube зафиксировала внегалактические нейтрино

Павел Котляр 24.08.2015, 08:40
IceCube Collaboration

Неуловимые нейтрино в космических лучах есть, среди них есть невероятно быстрые, и рождаются они не в нашей галактике. Таков итог работы антарктической обсерватории IceCube за два года наблюдений.

Ученые, работающие на нейтринном телескопе IceCube, проанализировав миллиарды субатомных частиц, пронизывающих их детектор, подтвердили наблюдения, сделанные ими в 2013 году. Они подтверждают космическое происхождение неуловимых частиц нейтрино, которые все-таки ловил этот крупнейший в своем роде телескоп, ради которых он и был построен на антарктической станции Амундсен – Скотт.

Хотя ранее о существовании нейтрино в составе космических лучей было известно, это открытие формально знаменует собой начало новой эры астрономии — нейтринной астрономии.

Благодаря исследованию этих почти безмассовых, но высокоэнергичных частиц ученые смогут исследовать их природные источники: черные дыры, массивные взрывающиеся звезды и активные ядра галактик.

В новом исследовании регистрация 21 мюона высокой энергии стала независимым доказательством того, что астрофизические нейтрино приходят из глубин нашей галактики — Млечный Путь и из-за ее пределов.

Всего две недели назад члены коллаборации IceCube сообщили о регистрации космического нейтрино с небывало высокой энергией. В 2013 году обсерватория, которая фиксирует приход нейтрино, пролетевших Землю со стороны Северного полушария, поймала две частицы, которые ученые назвали Берт и Эрни, с рекордными энергиями — 1000 тераэлектронвольт, а позднее — еще одну.

Теперь же речь шла о фиксации нейтрино в два раза большей энергии — 2000 тераэлектронвольт.

Надежная фиксация высокоэнергичных мюонов «недвусмысленно сигнализирует», что нейтрино сверхвысоких энергий путешествуют по Вселенной, не замечая звезд, планет, галактик, магнитных полей и скоплений межгалактической пыли, — свойство, которым не обладают привычные ученым фотоны.

У нейтрино нет электрического заряда, в связи с чем эти частицы почти не взаимодействуют с веществом, через которое проходят. Поэтому для их регистрации ученым приходится идти на всевозможные ухищрения, используя огромные массивы воды, льда, да и саму Землю как часть детекторов.

Энергии наиболее быстрых нейтрино, рождающихся в самых бурных процессах Вселенной, в миллионы раз превышают энергии, достижимые в самых мощных ускорителях, построенных на Земле.

Зарегистрировать приход нейтрино на Землю можно, поймав мюоны — вторичные частицы, рождающиеся при их редчайших столкновениях с атомами окружающего вещества. Обсерватория IceCube задумана так, чтобы регистрировать нейтрино, прошедшие сквозь толщу Земли со стороны северного полушария. Тысячи оптических датчиков, расположенных на глубине сотен метров под поверхностью, регистрируют фотоны черенковского излучения, которые рождают мюоны, двигаясь в среде.

При этом вся Земля служит своеобразным фильтром, позволяющим отсечь фоновые мюоны, рождающиеся при столкновении космических лучей с атомами атмосферы.

«Отличить атмосферные нейтрино, возникающие при взаимодействии протонов космических лучей с атомами, можно лишь статистически. Такие нейтрино имеют спектр, быстро спадающий с увеличением энергии. Лед здесь нужен лишь как дешевое, прозрачное вещество довольно большого объема, скорость света в котором в целых полтора раза меньше скорости света в вакууме. Поэтому датчики можно поместить на дно океана, а можно в лед», — пояснил «Газете.Ru» российский физик Андрей Ростовцев.

С мая 2010 года по май 2012-го обсерватория «поймала» более 35 тыс. нейтрино. Однако лишь около 20 из этих частиц обладали энергиями, указывающими на их космическое происхождение.

Построив детектор в толще льда размером с кубический километр, ученые могут восстанавливать направление, с которого приходят высокоэнергичные нейтрино, анализируя сигналы с оптических датчиков черенковского излучения.

Теперь задача — определить истинные источники на небе, от которых могут приходить отдельные нейтрино. По словам Альбрехта Карле, соавтора работы, несмотря на то, что угловое разрешение телескопа составляет всего 1 градус, до сих пор ученым не удалось поймать достаточно нейтрино, пришедших из одного источника на небе.

Нейтрино, зафиксированные в последнем исследовании, примерно соответствуют по энергиям тем, что были пойманы ранее пришедшими с южного направления.

Это указывает на то, что потенциальные источники высокоэнергичных нейтрино находятся за пределами Млечного Пути.

В противном случае IceCube фиксировал бы избыток нейтрино, приходящих из плоскости нашей галактики, где находится больше всего источников, способных генерировать космические нейтрино. «Однако нейтрино с самыми высокими энергиями приходят со случайных направлений. Это похоже на подтверждение того, что обнаружение космических нейтрино, пришедших из-за пределов нашей галактики, — реальность», — считает Карле. Статья ученых опубликована в журнале Physical Review Letters.

Эксперименты по поиску космических нейтрино ведутся в разных странах мира. Так, в 2017 году в Средиземном море будет построен нейтринный телескоп KM3NeT, состоящий из 320 вертикально закрепленных в толще воды тросов с расположенными на них датчиками черенковского излучения.

В этом году детектор нейтрино начал работать на озере Байкал. Телескоп построен при участии исследователей из Института ядерных исследований РАН, Объединенного института ядерных исследований, а также других научных учреждений, входящих в коллаборацию «Байкал». Телескоп вошел в число трех наиболее крупных детекторов нейтрино в мире, среди которых и детектор IceCube.

А с 1970-х годов под горой Андырчи в Баксанском ущелье работает Баксанская нейтринная обсерватория, старейшая в мире. Ее отличие в том, что детекторы не имеют естественной среды для регистрации черенковского излучения — вместо воды и льда там используются 60 т галлия. И хотя, по мнению некоторых ученых, телескоп морально устарел, на нем ведутся измерения более слабых солнечных нейтрино, а с 1980 года на нем идет самый долгий в своем роде эксперимент по поиску нейтрино от вспышек сверхновых.