Физики заметили корреляцию между нейтрино и космическими лучами высокой энергии

Положение на небесной сфере (в галактических координатах) направлений прихода нейтрино высоких энергий (крестики и плюсики) и космических лучей экстремально высоких энергий (цветные символы).

Иллюстрация: Aartsen et al.

Астрофизики до сих пор не могут достоверно сказать, откуда прилетают космические лучи сверхвысокой энергии и энергетичные астрофизические нейтрино. Однако исследование, выполненное тремя коллективами экспериментаторов — IceCube, Pierre Auger Observatory, и Telescope Array, — дало первые намеки на то, что их источники могут частично совпадать: в направлениях прихода нейтрино и космических лучей была обнаружена любопытная корреляция. Предварительные результаты исследования представлены на 35-й Конференции по космическим лучам и изложены в недавнем совместном препринте всех трех коллабораций.

Современная астрономия позволяет наблюдать за объектами глубокого космоса не только в видимом диапазоне, но и во всем спектре электромагнитных волн — от радиоволн и до гамма-лучей сверхвысокой энергии. Скажем, некоторые источники «светятся» в гамма-диапазоне вплоть до энергий отдельных фотонов в десятки ТэВ (это в триллионы раз раз больше энергии оптических фотонов и в миллиард раз больше рентгеновских).

Кроме электромагнитных волн, у астрофизиков есть и другой способ наблюдения за глубоким космосом — через космические лучи большой энергии. Частицы космических лучей (протоны, электроны, ядра) разгоняются в природных «ускорителях», например, в ударных волнах в межзвездной или даже межгалактической среде, порожденных мощными взрывами или струями вещества. В отличие от фотонов, энергии космических лучей достигают совершенно невообразимых значений, вплоть до миллиарда ТэВ (1021 эВ). Достигая Земли, эти частицы порождают широкие атмосферные ливни, которые регистрируются огромными наземными установками. Рекордсмен здесь — обсерватория Пьер Оже (Pierre Auger Observatory), расположенная в пустынных предгорьях Аргентины на территории в 3 тыс. кв. км. Немногим уступает ей детекторный комплекс Telescope Array; он установлен в США и, при площади в 700 кв. км, является на сегодня самым крупным в Северном полушарии детектором космических лучей сверхвысокой энергии. С учетом суточного вращения Земли, эти две установки позволяют полностью охватить все небо.

Проблема с космическими лучами в том, что это — заряженные частицы. На своем пути от «природного ускорителя» до Земли они отклоняются в галактическом и межгалактическом магнитном поле. Поэтому направление их прихода вовсе не совпадает с направлением на источник. Собственно, поэтому астрофизики и не могут достоверно сказать, где именно в ближайших — по космологическим меркам! — окрестностях нашей галактики производятся такие сверхэнергетичные частицы.

Два года назад астрофизикам стал доступен и третий способ наблюдения за глубоким космосом — через нейтрино сверхвысокой энергии. Конечно, нейтрино больших энергий регистрировались давно, но лишь в 2013 году детектор IceCube на Южном полюсе смог однозначно доказать, что поток нейтрино с энергиями выше сотен ТэВ нельзя списать на «земные» источники, а значит, они прилетели из глубокого космоса. Рекордная энергия нейтрино, зарегистрированного этим детектором размером в кубический километр,превышает 2000 ТэВ (2 ПэВ). Происхождение таких нейтрино тоже остается открытым вопросом.

Астрофизики подозревают, что источники тех и других могут быть связаны друг с другом. Те грандиозные космические процессы, которые способны разгонять космические лучи до сверхвысоких энергий, должны также производить и высокоэнергетичные нейтрино. В отличие от космических лучей, нейтрино — нейтральные частицы. Поэтому они не отклоняются магнитным полем, и направление их прилета указывает на источник.

К сожалению, пока не удалось однозначно сопоставить эти нейтрино с известными из «электромагнитной астрономии» источниками. Но можно поискать корреляции между самыми энергетичными нейтринными событиями, зарегистрированными IceCube, с данными по космическим лучам экстремальных энергий, накопленными обсерваторией Пьер Оже и Telescope Array. Кто знает, может быть, в уже имеющиехся данных скрывается какая-то связь между направлениями прилета нейтрино и космических лучей (конечно, с учетом отклонения последних).

Именно на этот вопрос отвечает появившаяся на днях совместная публикация всех трех коллабораций. Это еще не полноценная статья, а лишь текстовая версия доклада на августовской конференции по космическим лучами ICRC-2015, и представленные там результаты пока что несут пометку «предварительные». Однако можно ожидать, что окончательные результаты не будут сильно от них отличаться.

Для проверки корреляций исследователи использовали две разные выборки нейтринных данных IceCube. Первая — это 39 широких каскадов с энергией выше 30 ТэВ. Такие каскады порождают, в основном, электронные или тау-нейтрино. Из-за того, что электромагнитный каскад (массовое рождение электрон-позитронных пар и фотонов) широкий, трудно определить, с какого именно направление прилетело породившее его нейтрино; погрешность тут достигает 15°. Вторая выборка — это «треки» с энергией выше 70 ТэВ, вызванные мюонными нейтрино, которые, провзаимодействовав внутри объема детектора, превратились в мюоны. Таких событий набралось 16. Траектория мюонов восстанавливается отлично, и это позволяет определить направление породившего его нейтрино с точностью 1°. Со стороны детекторов космических лучей использовалась статистика чуть побольше. Она включала 231 событие с энергией выше 52 млн ТэВ, набранные обсерваторией Пьер Оже за 10 лет работы, и 87 событий с энергией выше 57 млн ТэВ, отловленных детектором TA за чуть меньший срок. Все эти события показаны на верхнем рисунке.

Было выполнено два типа сравнений. Напомним, что космические лучи отклоняются магнитным полем на существенный угол. Поэтому даже если на небе есть источники, «выстреливающие» и нейтрино, и космические лучи, они потом все равно разойдутся, причем, разойдутся неизвестным заранее образом.

В первом типе сравнения не делалось никаких предположений относительно этого эффекта. Исследователи просто перебирали все относительно близкие, в пределах 30°, пары «нейтрино+частица космических лучей» и построили распределение числа таких пар в зависимости от угла. Конечно, многие пары могли оказаться близкими чисто случайно. По этой причине физики смотрели не на сами эти данные, а на их превышение над равномерным случайным распределением, полученным в численном моделировании, без каких-либо коррелирующих источников. Такой результат был проведен отдельно для нейтринных каскадов и для треков.

Второй тип анализа — это наложение друг на друга многочисленных однотипных изображений для усиления контраста слабых общих эффектов. Предположив, что каждое нейтринное событие указывает на какой-то реальный источник, «стреляющий» также и космическими лучами, физики взяли все участки неба вокруг нейтринных событий и наложили их друг на друга так, чтобы все нейтринные направления совпали. В полученной картинке они проверяли, нет ли какого-то превышения данных по космическими лучам по сравнению со случайным распределением на углах отклонения 3, 6, и 9 градусов (т.е. при разных предположениях о том, как двигались частицы в магнитном поле). Опять же, этот анализ был выполнен отдельно для треков и для каскадов.

Результаты этих поисков оказались очень любопытными. В обоих вариантах анализа треки не продемонстрировали ничего выдающегося: картина распределения вполне согласовывалась с тем, что ожидалось бы от чисто случайных распределений. А вот каскады дали заметное превышение — причем тоже в обоих видах анализа. В первом типе анализа оказалось, что в данных слишком много пар, разделенных угловой дистанцией в 15-25°. Локальное отличие наиболее велико на угле 22° и достигает 3,3 стандартных отклонения. Глобальная статистическая значимость поменьше и составляет примерно 2,5σ.

В анализе методом наложения тоже обнаружилось, что именно в каскадной статистике есть заметное превышение данных над случайным распределением. Наиболее сильным оно оказалось при угле отлонения 6° и превысило 3σ. Поправка на анизотропию космических лучей, впрочем, тоже слегка уменьшает статистическую значимость отклонения. С учетом того, что направление каскадов имеет погрешность в 15 градусов, два числа, полученные разными методами, вполне сходятся друг с другом.

Предварительный вывод таков: распределение астрофизических нейтрино и космических лучей сверхвысокой энергии по небу не стыкуется с предположением об их полной независимости. Вероятность того, что чисто независимое распределение тех и других смогло бы дать такую картину — меньше одной тысячной. Авторы, конечно, пока не делают прямого вывода о том, что обнаружено совпадение источников обоих типов частиц, но подчеркивают, что получен потенциально интересный результат.

К счастью, ситуация здесь обещает проясняться с каждым годом. Продолжает набор данных IceCube, и можно также рассчитывать на скорую помощь и других нейтринных установок. Работающий в Средиземном море телескоп ANTARES вскоре перерастет в KM3NeT, также объемом в кубический километр, и он тоже начнет поставлять сопоставимый объем данных по нейтрино сверхвысоких энергий. В озере Байкал с прошлого года работает и постепенно разрастается чисто российский пока нейтринный телескоп Baikal-GVD(GVD = Gigaton Volume Detector), который, благодаря отменным оптическим характеристикам озерной воды, уже скоро будет способен потягаться с IceCube. Ну и сам IceCube будет расширяться — места в антарктическом ледниковом щите более чем достаточно. Физики сейчас нацелились уже на объем в 10 кубических километров, но такой проект потребует значительного времени для реализации. Так или иначе, но возможно, первые громкие открытия в нейтринной астрофизики последуют уже через несколько лет.

Игорь Иванов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.