Ледяное нейтрино

В четверг, 12 июля, сразу несколько международных коллективов физиков и астрономов рассказали об очень редкой находке — источнике нейтрино высоких энергий. Им оказался блазар с номерным названием TXS 0506+056. В сентябре 2017 года физикам удалось зафиксировать рост гамма-активности этого блазара и прилет на Землю нейтрино с энергией порядка 300 тераэлектронвольт примерно из той же области неба. Изучив архивные данные, ученые пришли к выводу, что нейтрино от этого источника фиксировались наземной обсерваторией IceCube и раньше — а значит, в далекой галактике уже долгое время происходят какие-то впечатляющие по масштабу энергий процессы. Что особенно важно, новая находка подтверждает старую гипотезу о том, откуда вообще берутся внегалактические нейтрино высоких энергий. Но обо всем по порядку.

Что такое нейтрино высоких энергий?

Нейтрино — очень легкие незаряженные элементарные частицы, лептоны. Их главная особенность в том, что они практически не взаимодействуют с веществом — к примеру, каждую секунду через наши руки пролетают сотни миллиардов солнечных нейтрино (они рождаются на Солнце при слиянии протонов). Тем не менее, изредка нейтрино все-таки взаимодействует с материей, попадая в ядро атома и вызывая ядерные реакции. Происходит это настолько редко, что для надежного наблюдения потока нейтрино от Солнца приходится строить огромных объемов детекторы и надеяться, что одна из частиц столкнется хотя бы с одним ядром из 10³⁰ имеющихся в тысячах тоннах материала детектора.

Долгое время нейтрино считали безмассовыми, как фотоны, кванты света. Но в 1990-х годах эксперименты в нейтринных обсерваториях Super-Kamiokande и SNO показали, что у нейтрино есть масса, отличная от нуля. Если быть точнее, то наблюдения показали, что нейтрино способны осциллировать, превращаться из одного сорта в другой — и уже это явно указало на наличие у них массы. Подробнее об том можно прочитать в нашем материале «Н значит Нейтрино», посвященном вручению Нобелевской премии за это открытие.

То, что нейтрино крайне неохотно вступают во взаимодействия, делает их очень привлекательными для астрономов. Сейчас почти все обсерватории изучают дальние уголки Вселенной с помощью электромагнитного излучения — фотонов от радио- до рентгеновского и гамма-диапазона. Но электромагнитное излучение сильно рассеивается и поглощается материей. Это серьезное препятствие для исследований, когда речь идет об очень удаленных объектах. В случае нейтрино межгалактическая среда и материя в целом гораздо меньше искажают исходный сигнал. Изучив энергетический спектр нейтрино от далекого источника, можно составить представление о физических процессах, которые в нем происходят.

Но чтобы приступить к таким наблюдениям, избавившись от рассеяния, надо, вообще говоря, доказать, что до Земли долетают хоть какие-то из внесолнечных нейтрино. Проблема, например, в том, что зафиксировать нейтрино малых энергий очень сложно, а определить их источник — скорее всего и вовсе невозможно. Впервые надежно «засечь» внегалактические нейтрино удалось в 1987 году, при взрыве сверхновой SN 1987A в Большом Магеллановом Облаке (галактика — спутник Млечного Пути). Незадолго до прихода на Землю оптического свечения сразу несколько нейтринных обсерваторий зафиксировали всплеск нейтрино. Количество событий, зафиксированных в ходе всплеска от довольно близкой сверхновой, очень хорошо иллюстрирует, насколько сложно наблюдать нейтрино: 3000-тонный Kamiokande II увидел всего лишь 12 нейтрино.

Надежно доказать, что Землю достигают внегалактические нейтрино, удалось лишь в 2014 году благодаря эксперименту IceCube. Это огромный нейтринный телескоп, расположенный на Южном полюсе на глубине примерно двух-трех километров. Он состоит из пяти тысяч светочувствительных сенсоров, объединенных в длинные гирлянды, которые опустили в ледяные скважины. Задача сенсоров — фиксировать вспышки черенковского излучения, ассоциированного с нейтрино.

Физика этого процесса примерно такова. Высокоэнергетические нейтрино сталкиваются с ядрами атомов во льду, порождая вторичные частицы — в основном, мюоны. Обладая большой кинетической энергией, мюоны будут двигаться во льду со скоростью, превышающей скорость света во льду (но, конечно, не выше скорости света в вакууме). Это будет приводить к возникновению характерного конуса синего свечения — черенковского излучения. По интенсивности свечения физики могут точно определить энергию мюонов, испустивших его, а затем и энергию исходного нейтрино. Объем, с которого детекторы собирают свечение, достигает одного кубического километра — отсюда и название обсерватории IceCube.

За первые три года работы детектор зафиксировал 37 нейтрино с энергией свыше 30 тераэлектронвольт (что, кстати, почти в пять раз превышает энергию одного протона в Большом адронном коллайдере). Это гораздо больше, чем можно объяснить атмосферными источниками и Солнцем.

Откуда берутся такие нейтрино?

Окончательно доказав, что внегалактические нейтрино можно наблюдать, физики попытались ответить на вопрос: а откуда вообще могут браться частицы с такой большой энергией? К примеру, одно из самых высокоэнергетических событий, обнаруженных IceCube, соответствовало энергии нейтрино порядка 2000 тераэлектронвольт (или в 300 раз больше, чем у протона в БАК).

Основная гипотеза сейчас связана с тем, что такие нейтрино рождаются в активных ядрах галактик (AGN) — квазарах и блазарах. Вблизи сверхмассивных черных дыр в этих небесных телах возникают джеты — потоки материи, выброшенной из квазара и ускоренной до околосветовых скоростей. Посмотрим на один протон в таком джете — он интенсивно взаимодействует с окружающей материей и электромагнитным излучением. Эти взаимодействия очень похожи на столкновения протонов в Большом адронном коллайдере. В результате рождается огромное количество новых частиц, также несущих большую энергию. Среди них есть заряженные пионы, или пи-мезоны, — короткоживущие частицы, распадающиеся на нейтрино и мюон или электрон. Именно эти нейтрино и фиксируют наземные нейтринные обсерватории. Зная их энергию, физики могут установить, насколько быстро движутся протоны в исходных джетах, и построить более точную модель квазаров.

Особое внимание физики уделяют блазарам — компактным квазарам, отличающимся большой переменчивостью свечения. Один из джетов блазаров направлен к Земле, что делает их особенно яркими, а значит — и поток нейтрино от них должен быть больше, чем от других квазаров.

Конечно, есть и другие гипотезы, например, связанные с распадами частиц темной материи.

Чем так интересно нейтрино, «пойманное» 22 сентября 2017 года?

Автоматика обсерватории IceCube зафиксировало новое событие 22 сентября 2017 года в 23:54 по московскому времени. Мюон, рожденный в результате столкновения нейтрино со льдом, обладал энергией около 23 тераэлектронвольт. Это соответствует энергии исходного нейтрино, равной 290 тераэлектронвольтам. По траектории мюона были определены примерные координаты точки на небе, где располагался гипотетический источник свечения. Заработала система оповещения обсерваторий, начались наблюдения во всех спектральных диапазонах — от радио до гамма, а позже и анализ архивных данных.

Важную роль сыграл космический гамма-телескоп «Ферми». В области неба, из которой прилетело то самое нейтрино, находился давно известный блазар TXS 0506+056 — «Ферми» наблюдал за ним уже около десяти лет. Оказалось, что накануне события IceCube-170922A, активность блазара была наибольшей за всю историю наблюдений. Это стало главной уликой, указывающей на то, что именно TXS 0506+056 был источником нейтрино.

К наблюдениям в гамма-диапазоне присоединились и наземные черенковские телескопы: MAGIC (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope) и система H.E.S.S.(High-Energy Stereoscopic System). В первые часы после события гамма-обсерватории не зарегистрировали ничего необычного, но позднее, 28 сентября, MAGIC показал значительное повышение интенсивности гамма-излучения (6,2 сигма над фоновым сигналом).

Также наблюдения вели оптические телескопы VLT, «Субару», системы радиотелескопов VLA, космические рентгеновские и гамма-обсерватории Swift, INTEGRAL и NuSTAR. Сопоставив архивные данные с собранными в период активности блазара физики отметили, что у последнего значительно выросла интенсивность свечения в высокоэнергетичной части спектра.

Ученые отмечают, что есть вероятность случайного совпадения роста активности блазара и фиксации высокоэнергетичного нейтрино. Такое совпадение возможно примерно в одном случае из 740. В физике высоких энергий для уверенного доказательства гипотез требуется исключить совпадение вплоть до одного шанса на 3,5 миллиона событий («пять сигма»).

А откуда уверенность, что нейтрино родилось именно в джете TXS 0506+056?

Кроме совпадения момента повышенной гамма-активности и фиксации нейтрино у физиков есть еще одна «улика». Специалисты обсерватории IceCube изучили архив нейтринных событий, указывающих на примерно ту же область неба. Оказалось, что с конца 2014 по начало 2015 года детекторы IceCube зафиксировали на 13 высокоэнергетических нейтрино больше, чем ожидалось. Конечно, вероятность случайного совпадения здесь тоже не так мала, как хотелось бы, но это делает гипотезу об нейтринной активности блазаров еще более убедительной.

И что мы теперь знаем о блазаре?

Если предположить, что блазар TXS 0506+056 и в самом деле был источником нейтрино, то можно оценить энергию того самого протона из джета, благодаря которому родился пион, распавшийся с образованием нейтрино, которое долетело до Антарктиды и, ударившись о ядро в молекуле воды, родило мюон, чье свечение увидел IceCube. Оказывается, она должна достигать по меньшей мере нескольких петаэлектронвольт, в тысячу раз больше, чем у протона в БАК.

«Одной из загадок является то, что сам по себе этот источник в гамма-диапазоне — не самый яркий на небе, он входит в двадцатку, тридцатку, но есть много и более ярких источников. А нейтрино пронаблюдали именно от него. Сейчас ученые будут придумывать модели, которые могут объяснить, почему от более ярких блазаров, находящихся ближе к нам, нет нейтрино, а от этого есть. Но это будет некий шаг в понимании того, как все это устроено. А если сигнал повторяющийся, то это может означать, что у блазара есть нестабильность в аккреционном диске. Есть и другой вариант, что к черной дыре в нем время от времени подлетает звезда, ее разрывает, и ускоряются остатки от этой звезды», — рассказал N + 1 Дмитрий Семикоз, профессор МИФИ и сотрудник парижкого Университет Дидро, который также занимался анализом данных о нейтрино высоких энергий, полученных обсерваторией IceCube.

Почему это важно?

То, что всплески гамма-активности блазаров могут быть связаны с усилением нейтринного потока, делает сами блазары более удобным инструментом для первых шагов в нейтринной астрономии. Особенно если всплески нейтринной активности окажутся более или менее периодичными. Лучше поняв, как устроены нейтринные потоки от разных источников, мы сможем воспользоваться тем самым нежеланием нейтрино взаимодействовать с материей и начать наблюдения гораздо более дальних объектов.

К примеру, сейчас мы не можем увидеть галактики, находящиеся от нас настолько далеко, что свет от них идет больше 13 миллиардов лет. Это связано с тем, что через 500 миллионов лет после Большого взрыва во Вселенной началась эпоха реионизации, пространство было заполнено нейтральными атомами водорода. Они слишком хорошо поглощают видимое излучение, но для нейтрино такая среда окажется почти прозрачной.

Само по себе наблюдение нейтринной активности блазара сразу большим количеством очень разных телескопов — важное достижение многоканальной астрономии. Такое всестороннее изучение быстрых процессов позволяет очень качественно строить их физические модели. Его даже можно сравнить с недавним открытием гравитационных волн от слияния двух нейтронных звезд, которое одновременно наблюдалось и гравитационными обсерваториями LIGO, и гамма-телескопами «Ферми» и «Интеграл», и оптическими обсерваториями, включая космический телескоп «Хаббл».

А что делать дальше?

IceCube, как телескоп, все еще далек от совершенства. Точность, с которой он определяет направление прилета нейтрино, невысока, порядка одного градуса. Для сравнения угловой диаметр Луны — полградуса. Среди планов IсeCube — расширить в несколько раз объем, с которого собирается черенковское свечение. Этому очень хорошо способствует высокая прозрачность льда под станцией Амундсена-Скотта, — он гораздо прозрачнее, чем предполагалось. Поэтому физики надеются обойтись небольшим количеством дополнительных фотодетекторов.

Одновременно с этим нужны новые нейтринные телескопы — для одновременного независимого наблюдения таких событий. Несравненно более яркую вспышку сверхновой SN1987A наблюдали сразу три нейтринных обсерватории — Kamiokande II (Япония), IMB (США) и Баксанская обсерватория РАН. Помимо IceCube астрономические наблюдения ведет средиземноморская нейтринная обсерватория ANTARES, однако ее чувствительность примерно в десять раз меньше, чем у антарктической. В России сейчас идет строительство обсерватории Baikal-GVD (на озере Байкал), построенной по тому же принципу, что и IceCube. Первую очередь установки планируется ввести в строй к 2020 году — общий объем детектора будет достигать 0,5 кубического километра. Затем его объем планируется расширить в три раза, до 1,5 кубического километра.

Владимир Королёв