Американские физики-теоретики проанализировали аномальные события, зарегистрированные детектором ANITA, и показали, что их нельзя объяснить в рамках Стандартной модели: согласно расчетам ученых, вероятность таких событий в модели не превышает 10−12. Кроме того, физики нашли похожие аномальные события в данных детектора IceCube. Ученые считают, что эти события были вызваны гипотетическим стау-лептоном — суперсимметричным партнером тау-лептона, который очень слабо взаимодействует с веществом. Статья принята к публикации в Physical Review D, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Несмотря на то, что Стандартная модель хорошо описывает процессы, которые происходят с частицами низких энергий — например, теоретическое и экспериментальное значение аномального магнитного момента электрона отличается менее чем на 10−8, — она имеет ряд проблем, которые указывают на незавершенность теории. В частности, ученые до сих пор не могут разрешить проблему конфайнмента кварков, проквантовать гравитацию и объяснить наблюдаемое значение космологической постоянной. Поэтому физики-теоретики разрабатывают огромное число альтернативных теорий, призванных решить проблемы Стандартной модели (самый известный, но не самый удачный пример такой теории — теория суперструн), а физики-экспериментаторы пытаются подтвердить эти теории на практике. К сожалению, заметить «новую физику» в эксперименте очень сложно, поскольку она проявляется только на больших энергиях.
Тем не менее, ученые пытаются «дотянуться» до высоких энергий с помощью ускорителей частиц или космических лучей. В частности, именно такими исследованиями занимается группа ANITA (Antarctic Impulse Transient Antenna), наблюдающая за космическими нейтрино, энергия которых превышает 1018 электронвольт. Когда такие частицы пролетают через диэлектрик (например, через лед или лунный грунт), они испускают когерентное радиоволновое черенковское излучение. Впервые этот эффект теоретически описал в 1962 году советский физик Гурген Аскарьян, а в 2001 году его подтвердили на практике. Группа ANITA предложила использовать эффект Аскарьяна, чтобы изучить нейтрино высоких энергий, и с этой целью запустила над Антарктидой гелиевый шар с массивом антенн, который отслеживает радиоволновые импульсы, исходящие от антарктического льда. Подробнее про работу детектора ANITA можно прочитать здесь. К сожалению, за десять лет работы детектор не зарегистрировал ни одного сигнала, отвечающего высокоэнергетическим нейтрино, однако обнаружил другие интересные эффекты.
В самом деле, более 90 процентов коротких радиоимпульсов (длиной порядка 6 наносекунд и частотой от 30 до 1000 мегагерц) были поляризованы, причем их поляризация была скоррелирована с направлением магнитного поля Земли. Это указывало на то, что импульсы образовались одновременно с атмосферными ливнями, запущенными космическими частицами с энергией более 1017 электронвольт, и отразились от поверхности Земли, прежде чем быть зарегистрированными детектором. Это подтверждалось тем, что импульсы приходили в направлении горизонта (отклонение от горизонтали менее шести градусов). Тем не менее, за десять лет наблюдений ученым удалось зафиксировать два импульса, которые пришли с противоположной стороны Земли: в 2008 году угол между зенитом и направлением радиосигнала составил 117 градусов, а в декабре 2014 года — 125 градусов. Эти импульсы связаны с «восходящими» атмосферными ливнями, которые были запущены частицами с энергией около 6×1017 электронвольт, прошедшими сквозь толщу Земли — 5700 и 7200 километров соответственно. В то же время, в Стандартной модели нет частиц, которые способны беспрепятственно пройти через такую толщу вещества на таких высоких энергиях — даже нейтрино, которые известны своей «неуловимостью», на энергиях порядка 1018 электронвольт начинают активно взаимодействовать с веществом.
Группа ученых под руководством Стефана Коту (Stephane Coutu) теоретически исследовала два аномальных события, зарегистрированных детектором ANITA, и подтвердила, что их невозможно объяснить, ограничиваясь частицами Стандартной модели. Для этого физики численно смоделировали путь тау-нейтрино сквозь толщу Земли с помощью программы NuTauSim. Эта программа учитывает процессы, входящие в Стандартную модель, то есть моделирует многократное взаимодействие нейтрино с ядрами через заряженный и нейтральный ток, в ходе которого частица теряет энергию и превращается в тау-лептон и обратно. Последнее такое превращение, происходящее в конце пути, запускает атмосферный ливень и приводит к образованию радиоволнового импульса. Запуская несколько сотен миллионов нейтрино с энергией порядка 1018 электронвольт по траекториям, которые отвечают событиям 2008 и 2014 года, физики выяснили, что вероятность воспроизвести экспериментальные данные составляет p1 ≈ 4×10−7 и p2 ≈ 3×10−8 соответственно. Для нейтрино с бо́льшими энергиями вероятности еще меньше, а нейтрино с меньшими энергиями приводят к другим радиоимпульсам. Получается, что итоговая вероятность того, что оба аномальных события вызваны тау-нейтрино, примерно равна 10−12, что исключает сценарий Стандартной модели с достоверностью 7 сигма.
Помимо этой оценки, ученые отмечают, что траектории аномальных событий имеют непропорционально «крутые» углы по отношению к зениту. Другими словами, физики предположили, что источники тау-нейтрино высоких энергий равномерно распределены по небесной сфере, и рассчитали вероятность получить аномальное событие в зависимости от его траектории. Очевидно, что аномальные события с зенитным углом, близким к 90 градусам, более вероятны, поскольку в них нейтрино проходят меньший путь сквозь толщу Земли. Зарегистрированные ANITA события имели гораздо большие углы, а следовательно, их вероятность была меньше — по оценкам ученых, их вероятности примерно равны p1 ≈ 7×10−5 и p2 ≈ 4×10−6. Эти рассуждения также исключают «стандартный» сценарий с достоверностью около 6 сигма.
Кроме того, исследователи предложили искать похожие аномальные события в данных других детекторов нейтрино, чтобы независимо «подтвердить» нестандартность сценария — и, как ни странно, им действительно удалось найти такие подтверждения. В частности, физики обнаружили в данных детектора IceCube три события, которые предположительно отвечали нейтрино с энергиями порядка 1015 электронвольт и имели зенитный угол около 120 градусов. С помощью все той же программы NuTauSim физики оценили вероятности этих событий и выяснили, что они примерно равны p ~ 10−3÷10−5, то есть события противоречат Стандартной модели с достоверностью около 3–4 сигма. Впрочем, ученые отмечают, что эти ограничения слишком слабые, чтобы подтвердить гипотезу о частицах за пределами Стандартной модели, хотя и служат хорошим аргументом в ее пользу.
Наконец, физики предложили кандидата на частицу, которая могла вызвать аномальные события с такими большими энергиями и зенитными углами. Исследователи отметили, что такая частица должна быть связана с тау-нейтрино и тау-лептонами, поскольку в конце пути она должна вызвать характерный атмосферный ливень и радиоволновый импульс. Вдобавок к этому, она должна слабо взаимодействовать с нуклонами на энергиях порядка 1018 электронвольт и иметь достаточно большое время жизни, чтобы не распасться по пути сквозь толщу Земли. Всеми этими свойствами обладает стау-лептон — гипотетический суперпартнер тау-лептона (подробнее про суперсимметрию можно прочитать в статье Алексея Левина «Больше, чем симметрия»). По оценкам ученых, сечения рассеяния такой частицы на нуклоне составляет примерно 100 пикобарн при энергии порядка 1018 электронвольт, а время жизни — около 10 наносекунд. Этого достаточно, чтобы практически беспрепятственно пройти Землю насквозь. Более того, некоторые теоретические статьи уже предсказывали аномальные события, которые зарегистрировал детектор ANITA.
В настоящее время энергия ускорителей частиц не может сравниться с энергией космических лучей — например, Большой адронный коллайдер разгоняет протоны «всего» до 1013 электронвольт, тогда как космические частицы имеют энергию вплоть до 1019 электронвольт. Тем не менее, ускорители позволяют набрать большую статистику, а следовательно, с их помощью тоже можно искать отклонения от Стандартной модели. Время от времени физики действительно находят намеки на такие отклонения: например, в апреле прошлого года группа LHCb сообщила об аномалии в распадах прелестных нейтральных мезонов, которая указывает на существование лептокварков. В мае того же года группа ATLAS зафиксировала сигнал, который отвечает сверхтяжелой частице с массой около трех тераэлектронвольт и имеет значимость более трех сигма. Более подробно про поиски «нестандартной» физики в редких процессах можно прочитать в материалах «Раритеты микромира» и «Раритеты микромира: Возвращение неуловимых».
В ноябре прошлого года группа IceCube впервые измерила сечение взаимодействия тау-нейтрино с нуклонами в диапазоне энергий от 6 до 380 тераэлектронвольт (1012 электронвольт). Для этого ученые использовали в качестве детектора Землю, то есть измеряли интенсивность сигнала нейтрино в зависимости от азимутального угла и связывали его ослабление с рассеянием нейтрино на нуклонах.
Дмитрий Трунин