Антарктическая обсерватория IceCube ищет «посланцев Вселенной»

Нейтрино — это особые частицы, которые могут проходить почти через все что угодно на своем пути даже от самых удаленных областей Вселенной. Землю постоянно бомбардируют миллиарды нейтрино, которые проходят прямо через земной шар, дома, животных, людей — через все. Крайне редко они взаимодействуют с материей, но гигантский эксперимент IceCube, расположенный на Южном полюсе, может обнаруживать столкновения между нейтрино и атомами во льду, используя сеть детекторов. Результаты последних исследований из Института Нильса Бора, наряду с другими, выявили некоторые физические свойства экзотических и крайне малоизученных частиц.

Нейтрино находятся среди наиболее распространенных в природе частиц. Их число значительно превышает число атомов во Вселенной, но мы крайне мало о них знаем. Нейтрино — это тип частиц, созданных в процессе Большого Взрыва и также производимых недрами Солнца и жестокими событиями вроде сверхновых. Нейтрино называют «призрачными частицами», потому что они практически не взаимодействуют с материей, спокойно проходя через нее.

Ученые из 44 учреждений в 12 странах являются частью международного проекта IceCube, расположенного на Южном полюсе, изучающего эти таинственные частицы со странными свойствами.

IceCube — это гигантский детектор частиц, расположенный в толще льда. Инструменты детектора ужаты в 86 кабелях, каждый с 60 цифровыми Optical Modules (чрезвычайно чувствительные датчики света). Каждый кабель опускается в яму, выплавленную на глубине 2,5 км подо льдом с помощью дрели с горячей водой. Детектор расположен глубоко под поверхностью — начинается с 1,5 км ниже поверхности льда и заканчивается на дне, на глубине 2,5 км.

Огромные размеры детектора (порядка кубического километра) необходимы, потому что нейтрино крайне слабо взаимодействуют с материей, поэтому и с атомами льда они сталкиваются крайне редко. Когда такое столкновение происходит, рождается заряженная частица, испускающая излучение, которое можно обнаружить только с помощью чрезвычайно чувствительного цифрового оптического модуля.

«В проекте IceCube мы зарегистрировали порядка 35 нейтрино, которые, скорее всего, пришли из отдаленных регионов космоса. Они обладают крайне высокой энергией и, поскольку не взаимодействовали ни с чем во время своего путешествия, могут переносить информацию из самых удаленных уголков Вселенной. В дополнение к редким космическим нейтрино мы также изучаем нейтрино, созданные в атмосфере Земли, с целью выявления физических свойств этих частиц», — говорит Джейсон Коскинен, глава IceCube Group в Институте Нильса Бора при Университете Копенгагена.

Когда частицы (протоны) с высокой энергией — следствие бурных событий в космосе вроде сверхновых и квазаров — попадают в атмосферу Земли, образуется вспышка нейтрино, которая проходит через Землю. Нейтрино, образованные над Северным полюсом, проходят прямо через Землю, и очень небольшая их часть попадает в лед Южного полюса, где детектор IceCube регистрирует столкновения.

Нейтрино — крайне легкие частицы, и долгие годы считалось, что у них совершенно отсутствует масса. В настоящее время считают, что существует три типа нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино) со своими специфическими массами, которые чрезвычайно малы — меньше одной миллионной массы электрона.

«Нейтрино, которые рождаются в атмосфере над Северным полюсом, это в основном мюонные нейтрино. На своем пути через Землю, 13 000 км, мюонные нейтрино проходят через квантовые флуктуации, которые могут изменить их в другой тип нейтрино, тау-нейтрино, после чего их обнаружить IceCube на другом конце земного шара. Теперь мы можем изучать эти эффекты куда более подробно, чем раньше, и таким образом получать новые данные об их физических характеристиках», — объясняет Джейсон Коскинен.

Исследовательская группа изучала атмосферные нейтрино в детекторе IceCube на Южном полюсе в течение трех лет и проанализировала 5200 взаимодействий между атмосферными нейтрино и атомами льда.

«Мы подтвердили, что нейтрино подвергаются флуктуациям — даже на высоких уровнях энергиях — и выяснили, как именно они проявляют эти реакции. В нашем исследовании мы измеряли только мюонные нейтрино, и по сравнению с тем, сколько мюонных нейтрино образуется в атмосфере и проходит через Землю, мы наблюдаем на Южном полюсе ничтожную долю от этого. Объяснение в том, что мюонные нейтрино подвергаются квантовым флуктуациям, которые изменяют их в тау-нейтрино, которых мы уже не видим. Если бы они не менялись, мы бы наблюдали их все. Наши расчеты показывают, что 20% подвергаются квантовым флуктуациям и меняются из мюонных нейтрино в другой тип нейтрино по мере прохождения через Землю», — говорит Коскинен.

Ну и зачем это все, спросите вы?

«Мы хотим узнать больше об этих странных частицах, которые присутствуют повсюду во Вселенной и свойства которых мы до сих пор не понимаем в полной мере. Поскольку нейтрино приходят из космоса, мы могли бы использовать их в астрономических наблюдениях и получить новые знания о структуре Вселенной».

Результаты работы были опубликованы в научном журнале Physical Reviews D.