Новая астрономия из Антарктиды

Впервые в истории зарегистрированы нейтрино, пришедшие не из Солнечной системы, а из дальних глубин Вселенной

Впервые в истории науки зарегистрированы нейтрино, пришедшие не из Солнечной системы. 28 нейтрино, которые были рождены со сверхвысокими энергиями, обнаружены подледной нейтринной обсерваторией IceCube и, по мнению ученых, представляют собой первый шаг к совершенно новому разделу астрономии.

Нейтринная обсерватория IceCube — кубометр антарктического льда, напичканный более чем 5 тысячами сверхчувствительных фотодетекторов и прикрытый сверху полуторакилометровым ледяным щитом. Установка зафиксировала сверхэнергичные нейтрино, родившиеся вдали от Солнца и Солнечной системы вообще. Об этом Натан Уайтхорн, научный сотрудник IceCube, сообщил накануне в ходе симпозиума по астрофизике частиц. По его словам, за период с мая 2010-го по май 2012 года детекторы обсерватории зарегистрировали 28 таких пришельцев издалека.

Подобно тому как открытие бозона Хиггса оправдало создание Большого адронного коллайдера, поскольку именно для этой цели его и строили, обнаружение внесолнечных нейтрино оправдало существование обсерватории IceCube.

Нейтрино

(итал. neutrino — нейтрончик, уменьшительное от neutrone — нейтрон) — нейтральная фундаментальная частица с полуцелым спином, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях и относящаяся к классу лептонов. Нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: так, нейтрино с энергией порядка 3—10 МэВ имеют в воде длину свободного пробега порядка 10¹⁸ м (около 100 св. лет). Также известно, что каждую секунду через площадку на Земле в 1 см^² проходит около 6·10 нейтрино, испущенных Солнцем. Однако никакого воздействия, например, на тело человека они не оказывают. В то же время нейтрино высоких энергий успешно обнаруживаются по их взаимодействию с мишенями.

Масса нейтрино крайне мала. Верхняя экспериментальная оценка суммы масс всех типов нейтрино составляет всего 0,28 эВ. Разница квадратов масс нейтрино разных поколений, полученная из осцилляционных экспериментов, не превышает 2,7·10⁻³ эВ^². Масса нейтрино важна для предположения объяснения феномена скрытой массы в космологии, так как, несмотря на ее малость, возможно, концентрация нейтрино во Вселенной достаточно высока, чтобы существенно повлиять на среднюю плотность.

Одно из перспективных направлений использования нейтрино — это нейтринная астрономия. Известно, что звезды кроме света излучают значительный поток нейтрино, которые возникают в процессе ядерных реакций. Поскольку на поздних стадиях звездной эволюции за счет нейтрино уносится до 90% излучаемой энергии (нейтринное охлаждение), то изучение свойств нейтрино (в частности, энергетического спектра солнечных нейтрино) помогает лучше понять динамику астрофизических процессов. Кроме того, нейтрино без поглощения проходят огромные расстояния, что позволяет обнаруживать и изучать еще более удаленные астрономические объекты.

Другим (практическим) применением является развиваемая в последнее время нейтринная диагностика промышленных ядерных реакторов. Проведенные в конце XX века физиками Курчатовского института эксперименты показали перспективность этого направления, и сегодня в России, Франции, Италии и других странах ведутся работы по созданию нейтринных детекторов, способных в режиме реального времени измерять нейтринный спектр реактора и тем самым контролировать как мощность реактора, так и композитный состав топлива (включая наработку оружейного плутония).

Теоретически потоки нейтрино могут быть использованы для создания средств связи, что привлекает интерес военных: частица теоретически делает возможной связь с подводными лодками, находящимися на глубине, или передачу информации сквозь Землю.

Создавая ее, астрофизики одной из главных целей ставили именно обнаружение внесолнечных нейтрино. Фрэнсис Хальзен, научный руководитель проекта IceCube, связывает это открытие с началом новой эры в астрономии.

Каждую секунду земной шар пронизывают миллиарды нейтрино (см. врез), и в основном это те частицы, которые родились либо в солнечных недрах, либо в верхних слоях земной атмосферы при столкновении с нею космических лучей. Те, что пришли издалека, и особенно те, что рождаются в процессах значительно более бурных, чем процессы, идущие внутри Солнца, встречаются намного реже. Благодаря тому что эти безмассовые (или почти безмассовые) частицы очень редко взаимодействуют с материей, они могут рассказать физикам о происходивших вдали событиях — о гамма-вспышках, о черных дырах, о рождении звезд…

До сих пор ни одной такой частицы обнаружено не было, хотя IceCube регистрирует в год около 30 тысяч «событий» из окрестностей Земли, по одному на каждые 20 минут.

Все 28 частиц, о которых идет речь, обладали энергией слишком высокой, чтобы иметь местное происхождение. Энергия каждой из них превышала 30 тераэлектронвольт, а о двух из них, обнаруженных в апреле прошлого года, с энергией выше петаэлектронвольта (то есть тысячи тераэлектронвольт), вскоре появится статья в журнале Physical Review Letters.

По словам Уайтхорна, говорить о том, откуда пришли эти частицы и в каких процессах они родились, преждевременно, такие события очень трудно анализировать, и здесь как минимум нужна куда более серьезная статистика.

Особенно это касается двух частиц с энергией выше петаэлектронвольта, которые были зарегистрированы в апреле 2012 года. Их открытие тогда очень взбудоражило физиков, частицам даже дали имена – Берт и Эрни.

Обнаружить нейтрино, родившиеся вдали от Солнечной системы, астрофизики мечтали давно, чуть ли не с тех самых пор, как научились их регистрировать. Поначалу многим казалось, что это не так уж и сложно, и только позже, с опытом, пришло понимание, что это можно сделать только на громадных ловушках и необходимы масштабные обсерватории наподобие IceCube. Обсерваторию строили пять лет, и только в декабре 2010 года она была полностью завершена, хотя работать начала значительно раньше. Это международный проект, возглавляемый Университетом Висконсин-Мэдисон и объединяющий 250 физиков и инженеров из США, Германии, Швеции, Бельгии, Швейцарии, Японии, Канады, Новой Зеландии, Австралии и Великобритании. Россия в этом проекте не участвует.