Для астрофизики настали чудесные дни. Вчера было сообщено о революционном открытии фонового шума во Вселенной, создаваемого гравитационными волнами от слияния сверхмассивных чёрных дыр, а сегодня учёные доложили об открытии нового способа изучения космоса с помощью нейтрино. Впервые с помощью нейтрино удалось определить примерные источники высокоэнергичных космических лучей и это даёт новый взгляд на Вселенную.

Источник изображения: Pixabay

Учёные давно ищут источники высокоэнергичных частиц, которые прилетают из космоса на Землю. Их энергии таковы, что они должны рождаться вне пределов нашей галактики, чтобы они смогли преодолеть местные магнитные поля и вырваться в межзвёздное пространство. К сожалению, те же магнитные поля решительно изменяют траектории заряжённых частиц (протонов и заряженных атомных ядер) и это не позволяет отследить их до источника.

Другое дело нейтрино. Они почти не взаимодействуют с веществом и магнитными полями, поскольку имеют ничтожную массу и не имеют заряда. Поэтому нейтрино движутся по прямой траектории и могут указать на источник своего происхождения. Этим источником могут быть следы, которые высокоэнергичные частицы оставляют на своём пути, когда они врезаются в пыль и газ на своей траектории. Одним из продуктов таких столкновений является пара кварк-антикварк, известная как пион. Распад заряженных пионов, в свою очередь, порождает высокоэнергетическое электронное нейтрино. Проследив за траекторией этих нейтрино можно выйти на источник высокоэнергичных космических частиц.

Но есть ещё одна проблема — отсеять неуловимые высокоэнергетическое нейтрино из фона местных и таких же слабо регистрируемых нейтрино. В частности, необходимо было подавить фон атмосферных нейтрино (мюонных нейтрино). Вручную и с помощью обычных алгоритмов это не удавалось сделать много лет, пока на помощь не пришло машинное обучение. С помощью обучающихся алгоритмов учёные смогли заново проанализировать 10 лет наблюдений за нейтрино на установке IceCube во льдах Антарктиды.

Вид на нашу галактику в разных диапазонах. Нижнее изображение сформировано из данных по нейтрино. Источник изображения: IceCube Collaboration

Новый метод анализа позволил включить в набор данных в 20 раз больше событий с лучшей информацией о направлении, и это дало ошеломляющий результат. Учёным открылась новая карта Вселенной и, в частности, новый взгляд на нашу галактику Млечный Путь. Со статистической значимостью около 4,5 сигма (чуть-чуть не дотянули до пятёрки, что означало бы безоговорочное признание в научной среде открытия) были указаны источники высокоэнергичных нейтрино в центре нашей галактики, а не где-то там в невообразимой дали. Это даёт намёк на зарождение частиц с колоссальной энергией в центре нашей галактики, а не где-то за её пределами. В центре Млечного Пути происходит что-то невообразимое по выбросам энергии, и этот процесс оказалось возможным рассмотреть и, в перспективе, изучить.

Нейтрино являются вторыми по распространённости во Вселенной фундаментальными частицами после фотонов, но они настолько слабо взаимодействуют с веществом, что одно время даже были кандидатами на роль тёмной материи. Всё-таки их можно улавливать и учёные это делают с 1956 года. Однако в коллайдерах нейтрино ещё не получали, пока в 2022 году на БАК не поставили серию экспериментов, уверенно доказавших детектирование нейтрино, полученных искусственным путём.

Трек нейтрино на фотоэмульсионной плёнке. Источник изображений: FASER

Любопытно, что установка FASERnu для детектирования нейтрино в ходе экспериментов на БАК собрана из комплектующих, оставшихся от прошлых экспериментов. Детектор поместили в один из боковых служебных коридоров коллайдера, но это не означает, что открытие рукотворных «призрачных частиц» не имеет важного научного значения. До сих пор учёные фиксировали в основном нейтрино низких энергий, тогда как из глубин космоса к нам приходят нейтрино высоких энергий. На БАК были получены как раз высокоэнергичные частицы, что открывает возможность использовать полученные данные для понимания астрофизических процессов.

Отдельно приятно, что значительную часть теоретической работы и обработку данных провели российские физики. В коллаборации FASER эту задачу взял на себя Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ). В экспериментах по физике нейтрино для регистрации частиц использовалась ядерная фотоэмульсия — чередование вольфрамовых пластин для замедления нейтрино с фоточувствительной эмульсией.

Устройство детектора FASERnu

«Группа ОИЯИ участвует в моделировании сигнала, реконструкции и анализе фотоэмульсионных данных, проектировании и создании системы охлаждения с возможностью контроля и стабилизации температуры для FASERnu», — рассказала участник коллаборации FASER от ОИЯИ, научный сотрудник Сектора экспериментальной нейтринной физики Светлана Васина.

В предыдущих экспериментах на БАК были детектированы шесть частиц-кандидатов на роль высокоэнергетических нейтрино. Третий запуск БАК в 2022 году с повышенной яркостью дал настолько много данных, что их статистическая значимость превысила 16 сигм при требуемом уровне достоверности 5 сигм. Иначе говоря, сомнения в детектировании на БАК высокоэнергетических нейтрино при таких условиях стремятся к нулю.

Как выглядит детектор FASERnu в реальности

Нейтрино невозможно обнаружить напрямую при сталкивании пучков частиц, но благодаря детектору FASERnu где-то в боковом тоннеле БАК это стало возможным. Тем самым БАК стал инструментом, который полностью воспроизводит весь спектр известных современной физике элементарных частиц, включая бозон Хиггса, ради поиска которого, собственно, Большой адронный коллайдер и строился.

Уникальный нейтринный телескоп IceCube, расположенный глубоко под толщей льда на антарктической станции Амундсен-Скотт, помог учёным обнаружить мощный поток нейтрино, исходящий из центра галактики Messier 77 (NGS 1068), которая находится на расстоянии 47 млн световых лет от Земли. Это лишь второе обнаружение источника космических нейтрино, и учёные надеются, что оно поможет пролить свет на то, что происходит внутри сверхмассивных чёрных дыр.

Обсерватория IceCube / Источник изображения: Martin Wolf / NSF

Нейтрино принято называть нейтральные фундаментальные частицы, которые есть повсюду. Однако они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами или каким-либо видом материи, поскольку отличаются очень маленькой массой и отсутствием электрического заряда. По этой причине их невероятно трудно обнаружить. Их полное безразличие к окружающей среде также означает, что, в отличие от других частиц, нейтрино способны пересекать огромные расстояния от своего источника, не сбиваясь с прямой. Когда астрономы научатся обнаруживать нейтрино, им будет проще отследить источники их происхождения, чем источники происхождения других частиц, ведущих себя иначе.

Международная группа учёных зафиксировала поток нейтрино из галактики Messier 77, которая по форме сильно напоминает Млечный Путь. Одно из основных отличий этой галактики от нашей заключается в том, что она вращается вокруг чёрной дыры, гораздо более массивной чем та, что находится в центре Млечного Пути. За центром Messier 77 проблематично наблюдать с Земли, но испускаемые чёрной дырой нейтрино без проблем проходят все препятствия и достигают нашей планеты без помех.

Галактика Messier 77 / Источник изображения: A. van der Hoeven / NASA / ESA

«Мы заглядываем внутрь активных областей галактики NGC 1068, расположенной на расстоянии 47 млн световых лет от нас. Наблюдая испускаемые ею нейтрино, мы сможем узнать больше об экстремальных процессах ускорения и образования частиц, происходящих внутри галактики, что до сих пор было невозможно, поскольку другие высокоэнергетические излучения не могут выйти за её пределы», — рассказал один из авторов исследования Гэри Хилл (Gary Hill), доцент физики из Университета Аделаиды в Австралии.