IceCube ограничил слабые силы с радиусом действия более 150 миллионов километров

Физики-теоретики из Дании и Индии оценили интенсивность гипотетического взаимодействия, связывающего электроны и нейтрино, в зависимости от радиуса ее действия. Для этого ученые рассчитали, как создаваемый новой силой потенциал скажется на осцилляциях нейтрино, и сравнили предсказанную частоту с данными детектора IceCube. В результате ученые примерно на порядок уточнили ограничения на интенсивность нового взаимодействия с радиусом более одной астрономической единицы (около 150 миллионов километров). Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

В настоящее время физики считают, что большинство природных процессов сводятся к четырем фундаментальным силам: гравитации, сильному, слабому и электромагнитному взаимодействию. Две из этих сил — гравитация и электромагнетизм — действуют на неограниченно больших расстояниях. Две других — сильное и слабое взаимодействие — напротив, распространяются только на очень маленькие расстояниях, сравнимых с размерами атомного ядра. Дело в том, что характерный радиус действия силы обратно пропорционален массе частиц, которые ее переносят. Электромагнетизм переносят безмассовые фотоны, гравитацию — гипотетические безмассовые гравитоны, поэтому радиус этих сил бесконечно большой. Слабые взаимодействия переносятся векторными бозонами с массой порядка ста масс протона, поэтому их характерный радиус не превышает 10⁻¹⁵ сантиметров. Глюоны — частицы-переносчики сильных взаимодействий — сами по себе не имеют массы, однако «цепляются» друг за друга и не отпускают кварки дальше, чем на 10⁻¹³ сантиметров (это явление называется конфайнментом).

Впрочем, четыре известных фундаментальных взаимодействия не могут объяснить все наблюдаемые явления. Например, рядом с сингулярностью черной дыры Общая теория относительности (гравитация) и Стандартная модель (сильное и электрослабое взаимодействие) перестают работать. Поэтому ученые разрабатывают альтернативные теоретические модели, в которых возникают новые силы и частицы-переносчики. Такие силы должны быть очень слабыми — в противном случае экспериментаторы давно бы их заметили. В то же время, радиус их действия может оказаться совершенно произвольным: теоретики предсказывают как очень тяжелые частицы-переносчики (например, вимпы с массами порядка ста тераэлектронвольт), так и очень легкие (аксионы с массой менее одного микроэлектронвольта).

К сожалению, до сих пор ни один эксперимент не смог увидеть новые тяжелые частицы. Это довольно жестко ограничивает силы с характерным радиусом меньше одной астрономической единицы (среднего расстояния от Земли до Солнца): если такие силы и существуют, частицы Стандартной модели их практически не чувствуют. В то же время, некоторые теории предсказывают силы с гораздо бо́льшим характерным радиусом.

Физики-теоретики Маурисио Бустаманте (Mauricio Bustamante) и Санджиб Кумар Агарваллак (Sanjib Kumar Agarwallac) предложили искать такие дальнодействующие силы с помощью нейтрино. Во-первых, участие нейтрино в таких силах в каком-то смысле выглядит естественно: если считать, что закон сохранения лептонного числа локально нарушается, в теории появляется нейтральный векторный бозон, определяющий новое взаимодействие между электронами и нейтрино. Этот эффект напоминает механизм Хиггса, нарушающий электрослабую симметрию Стандартной модели. Во-вторых, в Стандартной модели нейтрино очень слабо взаимодействуют с электронами — следовательно, заметить на этом фоне новые эффекты будет легко. В-третьих, силы с большим радиусом действия позволят нейтрино «чувствовать» большие скопления электронов — например, электроны Земли, Солнца или Млечного пути. Такие «коллективные» эффекты будут влиять на осцилляции нейтрино, особенно на больших энергиях.

В рамках теории с новым нейтральным векторным бозоном физики вычислили полный потенциал, который создают близкие к Земле астрономически большие скопления электронов в районе детектора IceCube. Ученые считали, что масса бозона лежит в диапазоне от 10⁻¹⁰ до 10⁻³⁵ электронвольт, что отвечает характерному радиусу силы от нескольких метров до тысяч гигапарсек (последнее число на несколько порядков больше диаметра наблюдаемой Вселенной, то есть радиус силы фактически бесконечен). Грубо говоря, радиус взаимодействия определял, насколько далекие электроны вносят вклад в потенциал. При небольших радиусах ключевым оказывался вклад электронов Земли. При радиусах порядка 400 тысяч или 150 миллионов километров физики включали в расчеты электроны Луны и Солнца, которые они приближали точечными источниками. На расстояниях порядка десяти килопарсек ученые учитывали электроны Млечного пути, включая вещество балджа, звездного диска и окружающего галактику горячего газа. Наконец, при характерных радиусах порядка нескольких гигапарсек исследователи усредняли потенциал по всем электронам Наблюдаемой Вселенной. В этом случае ученым приходилось учитывать расширение Вселенной, из-за которого плотность электронов со временем уменьшалась.

Затем исследователи рассчитали, как найденный ими потенциал сказывается на осцилляциях нейтрино. В предельном случае, когда потенциал перевешивает вакуумные осцилляции нейтрино, осцилляции полностью пропадают, и частота регистраций электронных, мюонных и тау-нейтрино должна быть пропорциональна вероятности рождения нейтрино в астрофизических источниках. На энергиях меньше 10¹⁵ электронвольт это отношение близкому к (f_e:f_μ:f_τ) ≈ (1:2:0). На бо́льших энергиях оно приближается к (f_e:f_μ:f_τ) ≈ (0:1:0), а в еще одном экзотическом случае, когда нейтрино рождаются только за счет бета-распада нейтронов, отношение близко к (f_e:f_μ:f_τ) ≈ (1:0:0). Если же новым потенциалом можно пренебречь по сравнению с вакуумными осцилляциями нейтрино, частота регистраций нейтрино всех трех типов будет примерно равна: (f_e:f_μ:f_τ) ≈ (1:1:1). В промежуточных областях отношение частот отклоняется от этих точных значений. Таким образом, сравнивая частоты на разных энергиях, можно оценить величину гипотетического потенциала.

Наконец, ученые использовали последние данные по относительной частоте регистраций нейтрино, измеренной с помощью детектора IceCube, способного чувствовать нейтрино с энергиями вплоть до 10¹⁵ электронвольт. Подробнее об истории и устройстве детектора можно прочитать в статье «Детектор нейтрино IceCube». Последние опубликованные данные устанавливают отношение частот на уровне (f_e:f_μ:f_τ) ≈ (1:1:0) c довольно низкой достоверностью порядка одного сигма. Несмотря на высокую погрешность, этот результат, тем не менее, противоречит гипотезе новой силы. Отталкиваясь от данных IceCube, физики рассчитали верхнюю границу на силу нового взаимодействия (точнее, константу связи) в зависимости от его характерного радиуса. Это позволило им почти на порядок улучшить ограничения на расстояниях больше одной астрономической единицы.

Кроме того, в будущем детектор IceCube планируют реконструировать — это позволит увеличить набираемую статистику и снизить погрешность относительной частоты нейтрино в несколько раз. Если среднее число после этого не изменится, это еще сильнее ужесточит ограничения на новую силу.

Детектор IceCube, работающий с 2011 года, стабильно поставляет научные результаты. Например, в 2015 году он заметил корреляцию между нейтрино и космическими лучами высоких энергий, в 2016 году с 99-процентной вероятностью исключил стерильные нейтрино с параметрами, на которые косвенно указывали предыдущие эксперименты. В 2017 детектор впервые проследил, как взаимодействуют с веществом нейтрино высоких энергий (вплоть до 380 тераэлектронвольт, что на порядок превышает энергию протонов Большого адронного коллайдера). Для этого физики использовали в качестве «тормоза» для частиц внутренности Земли. Наконец, в 2018 году IceCube впервые обнаружил источник таких высокоэнергетических нейтрино: им оказался блазар — активное ядро галактики TXS 0506+056, свет от которой шел до Земли четыре миллиарда лет. Подробнее об этом открытии рассказывает материал «Ледяное нейтрино».

Дмитрий Трунин