IceCube посмотрел на нейтрино высоких энергий сквозь Землю

William Graf / University of Wisconsin - Madison

Физики с помощью нейтринного детектора IceCube в Антарктиде впервые смогли проследить за тем, как взаимодействуют с атомами вещества нейтрино высоких энергий — от 6 до 380 тераэлектронвольт. Для этого они использовали в качестве «тормоза» для частиц всю нашу планету. Статья опубликована в Nature.

Нейтрино малой энергии очень слабо взаимодействуют с веществом. Так, каждую секунду через площадку размером с марку, находящуюся на Земле, проходит около 6×1010 нейтрино, испущенных Солнцем и имеющих энергию порядка одного мегаэлектронвольта — однако их влияние на вещество практически никак не ощущается. Тем не менее, с ростом энергии вероятность взаимодействия нейтрино с нуклонами растет. С помощью ускорителей физики исследовали это взаимодействие вплоть до энергий порядка 370 гигаэлектронвольт. Оказалось, что в этом диапазоне сечение (грубо говоря, вероятность) взаимодействия нейтрино и нуклонов растет практически линейно, как и предсказывала стандартная модель.

Однако при бóльших энергиях начинает играть роль слабое взаимодействие, переносчиком которого являются W± и Z0 бозоны. При энергиях нейтрино порядка 10 тераэлектронвольт станет сказываться конечность масс этих бозонов, и сечение взаимодействия будет расти не линейно, а каким-то более медленным степенным образом (в действительности σ ~ Eν0.3). К сожалению, проверить эту зависимость с помощью ускорителей сейчас нельзя, поскольку диапазон достижимых энергий на них гораздо ниже. Поэтому в данной работе ученые использовали в качестве «детектора» всю нашу планету и следили за взаимодействием космических нейтрино с веществом ее внутренних оболочек.

В общих чертах идея эксперимента заключается в следующем. На самом деле плотность вещества Земли не постоянна: наша планета состоит из плотного металлического ядра (в свою очередь, оно делится на внутреннее и внешнее ядро), которое покрыто менее плотной мантией и, наконец, тонкой земной корой, по которой мы ходим. Плотность каждого из этих слоев, а также их границы геофизики довольно хорошо исследовали с помощью сейсмических волн, распространяющихся во время землетрясений, и погрешность этих значений составляет всего несколько процентов.


С другой стороны, чем плотнее вещество, тем сильнее с ним будет взаимодействовать нейтрино (вообще говоря, не сильнее, а чаще, но в конечном счете это выражается в росте сечения рассеяния). Поэтому нейтрино, путь которых длиннее и проходит через более плотные слои, будут сильнее поглощаться веществом, и интенсивность потока нейтрино, проходящих через Землю, должна зависеть от зенитного угла (угол между двумя стрелками на рисунке). Эту зависимость можно рассчитать в рамках существующей модели строения планеты. Если затем измерить зависимость экспериментально и сравнить ее с расчетами, выполненными в предположении различных значений для сечения рассеяния нейтрино на нуклоне, можно определить, какое из этих значений лучше всего объясняет экспериментальные данные.

Именно такой подход использовали в своей работе ученые. Высокоэнергетические нейтрино, приходящие к нам из космоса, они регистрировали в течение периода между 2009 и 2010 годом с помощью детектора IceCube, который на тот момент состоял из 79 «гирлянд» с оптическими сенсорами (Digital Optical Modules), помещенных в антарктический лед. В результате взаимодействия нейтрино со льдом образуются быстрые заряженные частицы (например, мюоны), и возникает черенковское излучение, которое регистрируют оптические сенсоры. По траектории этих частиц можно найти исходное направление движения нейтрино, то есть зенитный угол. Всего за время наблюдения детектор зарегистрировал 10784 событий, отвечающих прошедшим сквозь внутренности Земли нейтрино.


Затем физики рассчитали (описанным способом) зависимость сечения взаимодействия нейтрино и нуклонов от энергии и сравнили ее с предсказаниями стандартной модели. Значения энергий в данном случае составляли от 6,3 до 980 тераэлектронвольт. Оказалось, что сечение отличается от теоретических предсказаний в 1,3 ± 0,3 раза, то есть в целом совпадает с ними. Это накладывает сильные ограничения на некоторые теории, которые предсказывали резкий рост сечения из-за взаимодействия с лептокварками при больших энергиях.

Ранее мы рассказывали, как детектор IceCube практически одновременно поймал сразу три нейтрино. Также физики установили с его помощью ограничения на свойства стерильных нейтрино и показали, что источники космических лучей сверхвысокой энергии и астрофизических нейтрино могут совпадать. Кроме того, недавно мы писали о том, как детектор CUORE помог определить ограничения на майорановскую природу нейтрино. А почитать про экспериментальное обнаружение осцилляций нейтрино, за которое физикам Такааки Кадзите и Артуру МакДональду дали в 2015 году Нобелевскую премию, можно в нашем материале.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.