Что нейтрино расскажут об устройстве далеких галактик
Бельгийский ученый Фрэнсис Халцен удостоился Нобелевской премии по физике 2026 года. Его идея превратить толщу антарктического льда в природную ловушку для нейтрино привела к созданию гигантской обсерватории IceCube, которая сегодня позволяет исследовать самые далекие уголки космоса. Зачем физики «ловят» нейтрино, как работают подобные телескопы и какие перспективы они открывают для изучения Вселенной, «Науке» рассказал российский специалист в области физики элементарных частиц и космологии, член-корреспондент РАН Дмитрий Горбунов.
Как обсерватория IceCube в Антарктиде регистрирует нейтрино из далекого космоса
Нейтрино — это частица, которая не отклоняется в ни в галактических, ни в экстрагалактических магнитных полях, с частицами в галактической и межгалактической средами практически не взаимодействует. Поэтому пролетает свободно через всю видимую часть Вселенной. Если вы точно определили направление, с которого прилетело нейтрино, можно узнать об астрофизическом источнике.
Нейтрино — электрически нейтральная частица. Эту частицу не разгоняют. Разгоняют протоны, они электрически заряженные. Они ударяются о вещество, которое всегда есть в какой-то галактике. И вот возникают вторичные мезоны, которые распадаются из-за слабого взаимодействия (по аналогии с распадом нейтрона) и рождают нейтрино. Оно дальше свободно летит через всю Вселенную, и мы его здесь регистрируем.
Когда нейтрино влетает в объем льда, оно взаимодействует с атомами и за счет слабого процесса рождает заряженную частицу: электрон, или мюон, или тау-лептон. В зависимости от того, кого оно родило, инициированные этим вторичные процессы несколько отличаются. Но суть такая: во льду летит вторичная электрически заряженная частица со скоростью, превышающей скорость света во льду. В веществе свет из-за взаимодействия движется медленнее чем в вакууме, преломляется. В такой ситуации электрически заряженная частица начинает излучать свет, так называемое излучение Черенкова. И этот свет распространяется дальше во льду, а в лед вморожены детекторы, которые регистрируют, откуда летит этот вторичный свет. Так получают информацию о распространении вторичных высокоэнергетических электрически заряженных частицах, в основном мюонах и электронах.
В эксперименте вмороженных детекторов много. Там есть струны, на которых на некотором удалении друг от друга вмонтированы фотоумножители. Когда летит вторичная частица, излучающая Черенковский свет, детектор регистрирует именно этот свет. Изучая временное и пространственное распределение этого сигнала — когда какой детектор и сколько фотонов зарегистрировал — пытаются определить, что за вторичная частица, какая у нее энергия, по какой траектории она летит, и потом уже эту информацию перетранслировать в энергию и направление прилета первичной частицы — нейтрино высокой энергии.
О каких космических объектах можно получить информацию
Более-менее мы можем сказать, c какого примерно направления, грубо говоря, из такого-то телесного угла прилетело нейтрино. Далее мы можем посмотреть в этот угол и обнаружить там какое-то количество потенциальных астрофизических ускорительных источников. Ну и дальше, используя информацию других телескопов, аргументировать, что вот из какого-то из этих четырех, возможно, прилетело нейтрино. А может и лучше удастся: вот эта активная галактика — наиболее более вероятный кандидат на роль источника.
Мы видим высокоэнергетичные события и полагаем, что эти частицы прилетели к нам издалека, от каких-то источников. В перспективе обнаружения мы надеемся изучать, как устроен сам источник. Энергии нейтрино очень высокие, а значит породившие их в источнике протоны были ускорены до энергий куда больших. Значительно больших, чем мы достигли на Большом адронном коллайдере. Так мы узнаем что-то новое об окружающей Вселенной.
Мы ожидаем, что вместе с нейтрино рождаются и фотоны. Они взаимодействуют с плазмой, где есть свободные электроны. Фотоны перерассеиваются, теряют энергию. Увидя нейтрино, но не видя фотоны, мы с вами можем сказать: «Ага, между нами и источником есть какая-то какая-то плазма, есть заряженные частицы». Таким образом, мы можем узнать об устройстве той галактики, в которой расположен этот источник.
Источники этих событий достоверно неизвестны, но скорее всего часть событий связана с активными галактическими ядраами. В центрах вещество падает на сверхмассивную вращающуюся черную дыру: есть плазма, заряженные частицы, большие магнитные поля. В такой ситуации возможно создание благоприятных условий для реализации ускорительных процессов, способных (иногда) ускорить и до таких больших энергий. Это не во всех галактиках. В центре нашей такого нет. Это редкие процессы, редкие источники.
Проводят ли исследования нейтрино российские ученые
У нас есть свой эксперимент — детектор Baikal-GVD, наследних целой череды экспериментов на озере Байкал. Те первые эксперименты регистрировали большое количество энергичных нейтрино, но это были в основном атмосферные нейтрино. Источники — частицы космических лучей, заряженные частицы, которые прилетают к нам из астрофизических источников. Влетая в атмосферу, рождают вторичные частицы, среди них те самые мезоны, которые распадаются с рождением нейтрино. Вот эти атмосферные нейтрино регистрируют. На фоне тех нейтрино хотели обнаружить нейтрино более высоких энергий, которые прилетают к нам действительно издалека, космические нейтрино, которые пролетели через всю Вселенную.
Как раз эти частицы были убедительно зарегистрированы в эксперименте IceCube. Они зарегистрировали сотни таких частиц.
Чтобы зарегистрировать редкое событие, нужно долго ждать или иметь очень большой детектор. Нейтрино в основном свободно пролетает через вещество. И в такой ситуации чем больше объем детекторов, тем больше у вас шансов, что оно у вас все-таки провзаимодействует.
Поэтому для поиска редких событий нужны большие детекторы. Для этого используют лед в Антарктиде. На Байкале, например, используют озерную воду, чтобы регистрировать события. Там фотоумножители висят на
струнах в воде на глубине около километра, закинутые словно удочки.
