IceCube посмотрел на нейтрино высоких энергий сквозь Землю
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
Точность эксперимента в два с половиной раза превзошла предыдущие
Физики подтвердили нулевое значение дипольного момента электрона с точностью в два с половиной раза выше предыдущей. Для этого ученые поместили ионы гафния в сверхсильное электрическое поле и измерили разность энергий их различных квантовых состояний. Исследование позволит лучше ограничить константы физики за пределами Стандартной модели, пишут ученые в Science. Электрический дипольный момент электрона — мера внутренней асимметрии распределения его заряда. Согласно предсказаниям Стандартной модели, его значение хоть и не равно нулю, но чрезвычайно мало: не более 10-38 заряда электрона на сантиметр. Поэтому в пределах доступной сейчас чувствительности эксперимента (10-30 заряда электрона на сантиметр — это выше искомого значения на восемь порядков) дипольный момент считают нулевым. Вклад в теоретическое значение вносит нарушение CP-симметрии (сочетание зарядовой симметрии и симметрии четности), которое возникает из-за слабого взимодействия между частицами. Это нарушение уже является частью Стандартной модели. Однако дополнительные нарушения, значения которых превышают текущие теоретические значения, смогли бы объяснить дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной (подробнее об этом читайте в нашем материале «Вселенная вместо ничто»). Такие нарушения в теории можно ввести лишь при расширении Стандартной модели частицами Новой физики. Кандидатов на роль нарушителей довольно много: например, портал Хиггса, хамелеоновские частицы и B−L бозоны нарушают CP-симметрию при высоких энергиях. Подобные измерения уже проводились, однако в рамках заданной точности эксперимента (10-29) значение оказалось равным нулю, и, следовательно, наличие новых частиц эксперимент не подтвердил. Повысить точность довольно сложно — нужны сверхсильные электрические поля (больше 20 гигавольт на сантиметр). Чтобы проверить, не отличается ли все же дипольный момент электрона от нуля, группа ученых из Колорадского университета под руководством Тани Русси (Tanya S. Roussy) создала в ионной ловушке поле с напряженностью 23 гигавольта на сантиметр и поместила в нее ионы гафния HfF+. Благодаря этому физики повысили точность измерения дипольного момента электрона на порядок. Во внешнем электрическом поле ионы гафния HfF+ выстраиваются вдоль силовых линий, создавая эффективное электрическое поле, которое воздействует на спин электрона. Ученые фиксировали разность энергий между двумя дублетными состояниями иона, которая чувствительна к наличию дипольного момента. У одного состояния внутримолекулярная ось (ось, перпендикулярная плоскости движения пары электронов дублетного состояния) параллельна приложенному полю, у другого — антипараллельна. Значение разности получали измерением частоты перехода из одного квантового состояния в другое с помощью спектроскопии Рэмси, основанной на явлении магнитного резонанса. Cравнив измеренную разность энергий с теоретической (по предсказаниям Стандартной модели), ученые определили значение дипольного момента. Оно оказалось равным нулю с погрешностью менее 4,1 × 10-30 заряда электрона на сантиметр. Благодаря повышению точности исследователям удалось получить новые оценки для расширений Стандартной модели, объясняющих дисбаланс материи и антиматерии. Эффективная масса их бозонов должна быть более 40 терраэлектронвольт. Это на порядок больше максимальной массы частиц, детектируемых Большим адронным коллайдером. А значит, при дальнейшем увеличении точности метода можно обнаружить частицы, невидимые в экспериментах физики высоких энергий. Ученые продолжают искать следы новой физики в экспериментах по определению квантовых характеристик элементарных частиц. Физики уже обнаружили отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона, а недавно улучшили оценку магнитного момента электрона.