Аномальные сигналы детектора ANITA

Американские физики-теоретики проанализировали аномальные события, зарегистрированные детектором ANITA, и показали, что их нельзя объяснить в рамках Стандартной модели: согласно расчетам ученых, вероятность таких событий в модели не превышает 10^-12. Кроме того, физики нашли похожие аномальные события в данных детектора IceCube. Ученые считают, что эти события были вызваны гипотетическим стау-лептоном — суперсимметричным партнером тау-лептона, который очень слабо взаимодействует с веществом. Статья принята к публикации в Physical Review D, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Несмотря на то, что Стандартная модель хорошо описывает процессы, которые происходят с частицами низких энергий — например, теоретическое и экспериментальное значение аномального магнитного момента электрона отличается менее чем на 10^-8, — она имеет ряд проблем, которые указывают на незавершенность теории. В частности, ученые до сих пор не могут разрешить проблему конфайнмента кварков, проквантовать гравитацию и объяснить наблюдаемое значение космологической постоянной. Поэтому физики-теоретики разрабатывают огромное число альтернативных теорий, призванных решить проблемы Стандартной модели (самый известный, но не самый удачный пример такой теории — теория суперструн), а физики-экспериментаторы пытаются подтвердить эти теории на практике. К сожалению, заметить «новую физику» в эксперименте очень сложно, поскольку она проявляется только на больших энергиях.

Тем не менее, ученые пытаются «дотянуться» до высоких энергий с помощью ускорителей частиц или космических лучей. В частности, именно такими исследованиями занимается группа ANITA (Antarctic Impulse Transient Antenna), наблюдающая за космическими нейтрино, энергия которых превышает 10^18 электронвольт. Когда такие частицы пролетают через диэлектрик (например, через лед или лунный грунт), они испускают когерентное радиоволновое черенковское излучение. Впервые этот эффект теоретически описал в 1962 году советский физик Гурген Аскарьян, а в 2001 году его подтвердили на практике. Группа ANITA предложила использовать эффект Аскарьяна, чтобы изучить нейтрино высоких энергий, и с этой целью запустила над Антарктидой гелиевый шар с массивом антенн, который отслеживает радиоволновые импульсы, исходящие от антарктического льда. Подробнее про работу детектора ANITA можно прочитать здесь. К сожалению, за десять лет работы детектор не зарегистрировал ни одного сигнала, отвечающего высокоэнергетическим нейтрино, однако обнаружил другие интересные эффекты.

В самом деле, более 90 процентов коротких радиоимпульсов (длиной порядка 6 наносекунд и частотой от 30 до 1000 мегагерц) были поляризованы, причем их поляризация была скоррелирована с направлением магнитного поля Земли. Это указывало на то, что импульсы образовались одновременно с атмосферными ливнями, запущенными космическими частицами с энергией более 1017 электронвольт, и отразились от поверхности Земли, прежде чем быть зарегистрированными детектором. Это подтверждалось тем, что импульсы приходили в направлении горизонта (отклонение от горизонтали менее шести градусов). Тем не менее, за десять лет наблюдений ученым удалось зафиксировать два импульса, которые пришли с противоположной стороны Земли: в 2008 году угол между зенитом и направлением радиосигнала составил 117 градусов, а в декабре 2014 года — 125 градусов. Эти импульсы связаны с «восходящими» атмосферными ливнями, которые были запущены частицами с энергией около 6-10^17 электронвольт, прошедшими сквозь толщу Земли — 5700 и 7200 километров соответственно. В то же время, в Стандартной модели нет частиц, которые способны беспрепятственно пройти через такую толщу вещества на таких высоких энергиях — даже нейтрино, которые известны своей «неуловимостью», на энергиях порядка 10^18 электронвольт начинают активно взаимодействовать с веществом.

Группа ученых под руководством Стефана Коту (Stephane Coutu) теоретически исследовала два аномальных события, зарегистрированных детектором ANITA, и подтвердила, что их невозможно объяснить, ограничиваясь частицами Стандартной модели. Для этого физики численно смоделировали путь тау-нейтрино сквозь толщу Земли с помощью программы NuTauSim. Эта программа учитывает процессы, входящие в Стандартную модель, то есть моделирует многократное взаимодействие нейтрино с ядрами через заряженный и нейтральный ток, в ходе которого частица теряет энергию и превращается в тау-лептон и обратно. Последнее такое превращение, происходящее в конце пути, запускает атмосферный ливень и приводит к образованию радиоволнового импульса. Запуская несколько сотен миллионов нейтрино с энергией порядка 10^18 электронвольт по траекториям, которые отвечают событиям 2008 и 2014 года, физики выяснили, что вероятность воспроизвести экспериментальные данные составляет p1= 4x10^-7 и p2=3x10^-8 соответственно. Для нейтрино с большими энергиями вероятности еще меньше, а нейтрино с меньшими энергиями приводят к другим радиоимпульсам. Получается, что итоговая вероятность того, что оба аномальных события вызваны тау-нейтрино, примерно равна 10^-12, что исключает сценарий Стандартной модели с достоверностью 7 сигма.

Помимо этой оценки, ученые отмечают, что траектории аномальных событий имеют непропорционально «крутые» углы по отношению к зениту. Другими словами, физики предположили, что источники тау-нейтрино высоких энергий равномерно распределены по небесной сфере, и рассчитали вероятность получить аномальное событие в зависимости от его траектории. Очевидно, что аномальные события с зенитным углом, близким к 90 градусам, более вероятны, поскольку в них нейтрино проходят меньший путь сквозь толщу Земли. Зарегистрированные ANITA события имели гораздо большие углы, а следовательно, их вероятность была меньше — по оценкам ученых, их вероятности примерно равны p1=7x10^-5 и p2 = 4x10^-6. Эти рассуждения также исключают «стандартный» сценарий с достоверностью около 6 сигма.

Кроме того, исследователи предложили искать похожие аномальные события в данных других детекторов нейтрино, чтобы независимо «подтвердить» нестандартность сценария — и, как ни странно, им действительно удалось найти такие подтверждения. В частности, физики обнаружили в данных детектора IceCube три события, которые предположительно отвечали нейтрино с энергиями порядка 1015 электронвольт и имели зенитный угол около 120 градусов. С помощью все той же программы NuTauSim физики оценили вероятности этих событий и выяснили, что они примерно равны p= 10^-3--10^-5, то есть события противоречат Стандартной модели с достоверностью около 3–4 сигма. Впрочем, ученые отмечают, что эти ограничения слишком слабые, чтобы подтвердить гипотезу о частицах за пределами Стандартной модели, хотя и служат хорошим аргументом в ее пользу.

Наконец, физики предложили кандидата на частицу, которая могла вызвать аномальные события с такими большими энергиями и зенитными углами. Исследователи отметили, что такая частица должна быть связана с тау-нейтрино и тау-лептонами, поскольку в конце пути она должна вызвать характерный атмосферный ливень и радиоволновый импульс. Вдобавок к этому, она должна слабо взаимодействовать с нуклонами на энергиях порядка 10^18 электронвольт и иметь достаточно большое время жизни, чтобы не распасться по пути сквозь толщу Земли. Всеми этими свойствами обладает стау-лептон — гипотетический суперпартнер тау-лептона (подробнее про суперсимметрию можно прочитать в статье Алексея Левина «Больше, чем симметрия»). По оценкам ученых, сечения рассеяния такой частицы на нуклоне составляет примерно 100 пикобарн при энергии порядка 10^18 электронвольт, а время жизни — около 10 наносекунд. Этого достаточно, чтобы практически беспрепятственно пройти Землю насквозь. Более того, некоторые теоретические статьи уже предсказывали аномальные события, которые зарегистрировал детектор ANITA.

В настоящее время энергия ускорителей частиц не может сравниться с энергией космических лучей — например, Большой адронный коллайдер разгоняет протоны «всего» до 10^13 электронвольт, тогда как космические частицы имеют энергию вплоть до 10^19 электронвольт. Тем не менее, ускорители позволяют набрать большую статистику, а следовательно, с их помощью тоже можно искать отклонения от Стандартной модели. Время от времени физики действительно находят намеки на такие отклонения: например, в апреле прошлого года группа LHCb сообщила об аномалии в распадах прелестных нейтральных мезонов, которая указывает на существование лептокварков. В мае того же года группа ATLAS зафиксировала сигнал, который отвечает сверхтяжелой частице с массой около трех тераэлектронвольт и имеет значимость более трех сигма. Более подробно про поиски «нестандартной» физики в редких процессах можно прочитать в материалах «Раритеты микромира» и «Раритеты микромира: Возвращение неуловимых».

В ноябре прошлого года группа IceCube впервые измерила сечение взаимодействия тау-нейтрино с нуклонами в диапазоне энергий от 6 до 380 тераэлектронвольт (10^12 электронвольт). Для этого ученые использовали в качестве детектора Землю, то есть измеряли интенсивность сигнала нейтрино в зависимости от азимутального угла и связывали его ослабление с рассеянием нейтрино на нуклонах.