На антарктической исследовательской станции обнаружены космические частицы, исходящие из-за пределов нашей галактики

Это явление состоит в резонансном увеличении сечения образования W-бозонов при столкновении электронного антинейтрино с электроном, когда энергия антинейтрино в системе покоя электрона приближается к 6,3 петаэлектронвольт (ПэВ).

Ученые определили кажущуюся энергию рожденных в событии частиц, которая оказалась близкой к искомой, а также определили область происхождения нейтрино и роль фоновых процессов в регистрации такого явления.

В будущем разработанные методы позволят не только изучить само явление резонанса Глэшоу, но и больше узнать об источниках астрофизических нейтрино.

Что такое нейтрино?

Нейтрино — чрезвычайно легкие элементарные частицы, которые очень слабо взаимодействуют с веществом. Само взаимодействие происходит за счет обмена W- и Z-бозонами с веществом — носителями слабого взаимодействия.

Нейтрино могут рождаться в, казалось бы, очень разных процессах: например, солнечные нейтрино образуются при термоядерной реакции горения водорода с образованием гелия, а атмосферные нейтрино — при распаде пионов и каонов, возникающих при взаимодействии космических лучей с ядрами. в воздухе.

Астрофизические нейтрино, которые возникают в различных «космических ускорителях» — объектах во Вселенной, способных ускорять частицы до чрезвычайно высоких энергий, стоят особняком. Потенциальными источниками астрофизических нейтрино могут быть, например, активные ядра галактик, взрывы сверхновых и другие источники гамма-всплесков.

Каждый тип нейтрино характеризуется зависимостью их потока от энергии — спектром. Помимо самого источника, именно спектр отличает астрофизические нейтрино от всех остальных — очень немногие из них рождаются и прибывают на Землю, а их энергия может быть очень большой: до 10 ²⁰ электрон-вольт.

Кроме того, астрофизические нейтрино имеют особенно малое сечение взаимодействия с веществом (порядка 10 ^-20 barn), что делает их очень удобными наблюдаемыми для изучения процессов в их потенциальных источниках.

Дело в том, что среда, окружающая потенциальные «космические ускорители», очень плотная, и легкие и нейтральные нейтрино способны преодолевать ее и достигать Земли, даже не отклоняясь под действием магнитного поля. То есть астрофизические нейтрино могут позволить физикам косвенно изучать физику космических объектов, участвующих в их рождении.

Что такое резонанс Глэшоу?

Еще один интересный эффект связан с астрофизическими нейтрино высоких энергий — резонанс Глэшоу. Это было теоретически предсказано еще в 1959 году и состоит в резонансном увеличении сечения рождения W-бозонов при столкновении электронного антинейтрино с электроном, когда энергия антинейтрино в системе покоя электрона приближается к 6,3 петаэлектронвольт.

Эта энергия недостижима для существующих «земных» ускорителей, но вполне доступна для их космических аналогов, а это значит, что на Земле возможно резонансное рождение W-бозона, но с участием астрофизического нейтрино.

Наблюдение за таким процессом интересно не только как еще одно возможное подтверждение Стандартной модели: в нем могут участвовать только антинейтрино, а это значит, что экспериментальное исследование резонанса Глэшоу позволило бы напрямую сравнивать доли астрофизических нейтрино и антинейтрино.

Во многом нейтринная обсерватория IceCube была создана как раз для регистрации астрофизических нейтрино и связанных с ними процессов, в которой кубический километр антарктического льда выступает в качестве рабочего тела детектора. Он содержит фотоумножители, регистрирующие черенковское излучение заряженных частиц и продуктов их распада, возникающих при взаимодействии нейтрино со льдом и землей.

По направлению распространения излучения в толще льда физики могут определить направление движения самого нейтрино, а по интенсивности этого излучения судить о его энергии. Строительство обсерватории было завершено еще в 2010 году, а первое нейтринное событие было зарегистрировано еще раньше — 29 января 2006 года.

Однако, как упоминалось выше, чем выше энергия нейтрино, тем меньше вероятность его регистрации, и до недавнего времени IceCube не мог различать в накопленных данных события с участием космических частиц с достаточно высокой энергией, близкой к 6,3 петаэлектронвольтному резонансу Глэшоу. характеристика.

Теперь физики обнаружили следы искомого нейтрино в данных детектора за 4,6 года работы с 2012 по 2017 год:

Обнаружение космической частицы и вызванного ею явления

Для обнаружения этого события использовался алгоритм, основанный на машинном обучении, который, в отличие от алгоритмов в предыдущих анализах, искал события на краю детектора, тем самым косвенно увеличивая его полезный объем. Чтобы найти точную энергию и направление движения нейтрино, физики выполнили моделирование зарегистрированного события методом Монте-Карло, варьируя его возможные параметры.

После такого моделирования было обнаружено, что на ближайших к событию фотоприемниках сигнал появился еще до того, как фотоны из начального потока частиц от высокоэнергетического W-бозона, рожденного в ледяной массе, смогли достичь детектора.

Эта особенность события объясняется тем, что свет во льду движется со скоростью 2,19 × 10 ⁸ метров в секунду, в то время как мюоны, рожденные в результате распада мезонов в адронном ливне исходного события, движутся сквозь лед почти со скоростью света в вакууме 3 × 10 ⁸ метров в секунду.

Таким образом, первыми зарегистрированными фотонами было черенковское излучение именно этих мюонов, а затем фотодетекторы регистрировали излучение от начального каскада частиц.

Разделение сигнала от мюонов, достигших детектора, и от начального каскада частиц позволило проверить правильность определения направления движения нейтрино: из кинематических соображений они должны были лететь в одном направлении.

Те же соображения сузили возможную область звездного неба, откуда космическая частица прилетела на Землю. Чтобы убедиться, что обнаруженное нейтрино является астрофизическим, физики смоделировали фон космических мюонов и обнаружили, что они могут генерировать только 1,1 × 10 ^-7 события за 4,6 года с таким же срабатыванием детектора.

Подобные расчеты показали, что атмосферные нейтрино за тот же период времени могут привести только к 2 × 10 ^-7 событий, что в сочетании с данными по мюонам указывает на регистрацию астрофизических нейтрино со статистической точностью 5σ.

Кроме того, ученым нужно было убедиться, что зарегистрированное событие было проявлением резонанса Глэшоу, а не каким-либо другим взаимодействием астрофизического нейтрино с веществом.

Основным фоновым процессом в данном случае является взаимодействие нейтрино с нуклонами через взаимодействие через заряженные токи (то есть через обмен виртуальными W ^± -бозоны). В расчетах также учитывалось взаимодействие через нейтральные токи (путем обмена виртуальными Z ⁰-бозоны).

В результате моделирование методом Монте-Карло показало, что вероятность такого появления зарегистрированного события в 100 раз меньше, чем такая же вероятность для резонанса Глэшоу, для которого моделирование предсказало регистрацию 1,55 событий за 4,6 года наблюдений. То есть о наблюдении резонанса Глэшоу можно сказать с уверенностью 99 процентов, или 2,3σ.

Ученые отмечают, что хотя в работе описана обработка только одного события, разработанные методы могут быть использованы для будущих данных и экспериментов, а также для существующих результатов и поиска в них нейтрино более низких энергий.

Кроме того, точная регистрация потока антинейтрино, в том числе в крупномасштабных экспериментах, таких как IceCube-Gen2, сможет ограничить существующие модели образования астрофизических нейтрино, в которых соотношение потоков нейтрино и антинейтрино сильно зависит от таких параметров источников, как плотность фотонов, массовый спектр космических лучей и напряженность магнитного поля.