IceCube собрал 137 космических нейтрино

Физики проанализировали результаты трех лет работы нейтринной обсерватории IceCube, расположенной на станции Амундсена-Скотта в Антарктиде (на Южном полюсе). Исследователи показали, что существенная часть наблюдаемых обсерваторией событий действительно приходит из далекого космоса, а вовсе не рождается в земной атмосфере под ударами космических лучей. Об этом сообщает журнал Physics Американского физического общества, работы (первая, вторая) опубликованы в сегодняшнем выпуске Physical Review Letters.

Нейтрино — элементарные частицы, чьи свойства на протяжении многих лет пытаются исследовать физики. Главная проблема, с которой сталкиваются ученые, в том, что эти частицы практически не взаимодействуют с веществом, среднее расстояние, которое преодолевает нейтрино до столкновения с какой-либо частицей, может достигать сотен световых лет. 

На данный момент известно, что их существуют три типа, или аромата, — электронное (ν_e) , мюонное (ν_μ) и тау (ν_τ) нейтрино, кроме того предполагается существование четвертого, стерильного нейтрино. Единственные взаимодействия, в которые вступают первые три типа частиц — слабое и гравитационное, а гипотетические стерильные нейтрино вступают только в гравитационное взаимодействие, которое для объектов их массы чрезвычайно мало, а также, в принципе, могут слегка смешиваться с обычными нейтрино. 

В зависимости от того, какое событие порождает поток частиц, нейтрино возникают в разных соотношениях ароматов. К примеру, распад такой частицы как пиона, или π-мезона порождает мюонные нейтрино (с небольшой долей электронных). Атмосферные нейтрино, которые получаются при распаде пиона (ν_μ) и последующем распаде мюона (ν_e и ν_μ), создают соотношение 1:2:0 (ν_e, ν_μ, ν_τ). Однако на пути к детектору нейтрино осциллируют, и в результате соотношение ароматов меняется. Нейтрино, прилетевшие из глубокого космоса, уже имели достаточно времени для того, чтобы полностью проосциллировать, и поэтому для них соотношение ожидается 1:1:1 (ν_e, ν_μ, ν_τ). 

Детектор, сам по себе, различить разные ароматы нейтрино не может — в этом ему помогают ученые, анализируя картины редких взаимодействий частиц с электронами и протонами. Эти столкновения порождают черенковское излучение, характер которого (частицы оставляют протяженные следы или локальные светящиеся пятна, ливни, англ. tracks и showers) позволяет судить о наблюдении мюонных или тау-нейтрино. 

Ранее ученые предполагали, что лучше всего наблюдаемые события в детекторе описываются соотношением 1:0:0 на основе 36 событий. Это соответствовало довольно экзотическим интерпретациям, соответствующим довольно редким распадам нейтрино или сильной примеси четвертого типа частиц. Однако новое исследование, включающее в себя анализ 137 (129 ливней и 8 следов) столкновений показывает, что с высокой долей вероятности такое соотношение можно исключить. Наилучшим образом наблюдаемые события описывались долей мюонных нейтрино в 0,2 и 0,8 тау-нейтрино. 

Группа итальянских исследователей в свою очередь, основываясь на соотношении между наблюдаемыми ливнями и следами, пришла к выводу, что оно вписывается в существующую теорию о космическом происхождении наблюдаемых нейтрино. В качестве объектов исследования авторы рассмотрели все события, соответствующие энергиям выше 60 тераэлектронвольт (это в 9 раз больше, чем энергия сталкиваемых протонов в БАКе). 

IceCube — нейтринная обсерватория, функционирующая в Антарктиде на глубине около трех километров. Она собирает данные о возникающем излучении Черенкова от продуктов столкновений нейтрино с элементарными частицами — мюонов, электронов и тау — в объеме порядка одного кубического километра. Несмотря на то, что она располагается на южном полюсе, детекторы собирают данные о космических нейтрино, приходящих со всех сторон света, в частности и из северного полушария. Толща Земли при этом выступает фильтром, отсекающим «лишние» частицы.