IceCube увидел следы резонанса Глэшоу
Физикам удалось обнаружить в данных нейтринной обсерватории IceCube событие со сверхэнергичным астрофизическим антинейтрино, которое со статистической точностью в 2,3σ провзаимодействовало с электроном в ходе резонанса Глэшоу. Это явление заключается в резонансном росте сечения рождения W-бозона в столкновении электронного антинейтрино с электроном при приближении энергии антинейтрино в системе покоя электрона к 6,3 петаэлектронвольт. Ученые определили видимую энергию рожденных в событии частиц, которая оказалась близка к искомой, а также определили область происхождения нейтрино и роль фоновых процессов в регистрации такого явления. В будущем разработанные методы позволят не только исследовать само явление резонанса Глэшоу, но и больше узнать об источниках астрофизических нейтрино. Статья опубликована в журнале Nature.
Нейтрино — чрезвычайно легкие элементарные частицы, которые очень слабо взаимодействует с веществом. Само взаимодействие происходит путем обмена с материей W- и Z-бозонами — переносчиками слабого взаимодействия. Рождаться нейтрино могут в очень разных на первый взгляд процессах: солнечные нейтрино, к примеру, образуются в ходе термоядерной реакции горения водорода с образованием гелия, а атмосферные нейтрино — при распаде пионов и каонов, которые появляются при взаимодействии космических лучей с ядрами в воздухе. Особняком стоят астрофизические нейтрино, которые возникают в различных «космических ускорителях» — объектах во вселенной, способных ускорять частицы до крайне высоких энергий. Потенциальными источниками астрофизических нейтрино могут быть, к примеру, активные ядра галактик, взрывы сверхновых и другие источники вспышек гамма-излучения.
Каждый тип нейтрино характеризуется зависимостью их потока от энергии — спектром. Помимо самого источника, именно спектр отличает астрофизических нейтрино от всех остальных — рождается и прилетает на Землю их крайне мало, а их энергия может быть очень большой: вплоть до 1020 электронвольт. Кроме того, астрофизические нейтрино обладают особенно малым сечением взаимодействия с веществом (порядка 10-20 барн), что делает их очень удобными наблюдаемыми для изучения процессов в их потенциальных источниках. Дело в том, что среда, окружающая потенциальные «космические ускорители», очень плотная, а легкие и нейтральные нейтрино в состоянии преодолеть ее и достичь Земли, даже не отклонившись под действием магнитного поля. То есть астрофизические нейтрино могут позволить физикам косвенно изучить физику космических объектов, участвующих в их рождении.
С астрофизическими нейтрино высоких энергий связан и еще один интересный эффект — резонанс Глэшоу. Он был теоретически предсказан еще в 1959 году и заключается в резонансном росте сечения рождении W-бозона в столкновении электронного антинейтрино с электроном при приближении энергии антинейтрино в системе покоя электрона к 6,3 петаэлектронвольт. Такая энергия недостижима для существующих «земных» ускорителей, но вполне доступна для их космических аналогов, а значит резонансное рождение W-бозона возможно и на Земле, но с участием астрофизического нейтрино. Наблюдение такого процесса интересно не только как очередное потенциальное подтверждение Стандартной модели: в нем могут участвовать лишь антинейтрино, а значит экспериментальное изучение резонанса Глэшоу позволило бы напрямую сравнить доли астрофизических нейтрино и антинейтрино, и тем самым ограничить теоретические модели их рождения.
Во многом как раз для регистрации астрофизических нейтрино и связанных с ними процессов была создана нейтринная обсерватория IceCube, в которой в роли рабочего тела детектора выступает кубический километр антарктического льда. В него помещены фотоумножители, которые регистрируют черенковское излучение от рождающихся при взаимодействии нейтрино со льдом и толщей земли заряженных частиц и их продуктов распада. По направлению распространения излучения в толще льда физики могут определить направление движения самого нейтрино, а по интенсивности этого излучения они судят об его энергии. Строительство обсерватории было завершено еще в 2010 году, а первое нейтринное событие было зарегистрировано еще раньше — 29 января 2006 года. Однако, как упоминалось выше, чем больше энергия нейтрино, тем меньше вероятность его зарегистрировать, и до недавнего времени IceCube не мог выделить в накопленных данных события с участием астрофизических нейтрино с достаточно большой энергией, близкой к характерным для резонанса Глэшоу 6,3 петаэлектронвольт. Теперь же физики нашли следы искомого нейтрино в данных детектора за 4,6 лет работы между 2012 и 2017 годами: видимая энергия события, зарегистрированного 8 декабря 2016 года, составила 6,05 ± 0,72 петаэлектронвольт (что соответствует энергии резонанса Глэшоу с поправкой на те пять процентов, которые уносят неспособные испускать черенковское излучение частицы).
Для обнаружения данного события был использован алгоритм на основе машинного обучения, который, в отличие от алгоритмов в предыдущих анализах, искал события на границе детектора, тем самым косвенно увеличив его полезный объем. Для поиска точной энергии и направления движения нейтрино физики провели Монте-Карло моделирование зарегистрированного события, варьируя его возможные параметры. После такого моделирования было обнаружено, что на ближайших к событию фотодетекторах сигнал появился еще до того, как фотоны от исходного потока частиц от рожденного в толще льда высокоэнергетического W-бозона могли дойти до детектора. Эта особенность события объясняется тем, что свет во льду движется со скоростью 2,19 × 108 метров в секунду, в то время как мюоны, рожденные в распадах мезонов в адронном ливне исходного события, движутся сквозь лед почти со скоростью света в вакууме в 3 × 108 метров в секунду. Таким образом, первые зарегистрированные фотоны представляли собой черенковское излучение от этих самых мюонов, а затем фотодетекторы регистрировали излучение от исходного каскада частиц.
Разделение сигнала от долетевших до детектора мюонов и от исходного каскада частиц позволило убедиться в правильности определения направления движения нейтрино: из кинематических соображений они должны были лететь в одном направлении. Эти же соображения сузили возможную область на звездном небе, откуда нейтрино прилетело на Землю. Для того чтобы убедиться в том, что зарегистрированное нейтрино было астрофизическим, физики смоделировали фон космических мюонов и получили, что они могли породить лишь 1.1 × 10-7 событий за 4,6 лет с такими же откликом детектора. Аналогичные расчеты показали, что атмосферные нейтрино за тот же промежуток времени могли привести лишь к 2 × 10-7 событий, что в сочетании с данными по мюонам говорит о регистрации астрофизического нейтрино со статистической точностью в 5σ.
Кроме того, ученым нужно было убедиться в том, что зарегистрированное событие было проявлением резонанса Глэшоу, а не какого-то другого взаимодействия астрофизического нейтрино с веществом. Основным фоновым процессом в этом случае является взаимодействие нейтрино с нуклонами посредством взаимодействия через заряженные токи (то есть путем обмена виртуальными W±-бозонами). В расчетах также были также учтены и взаимодействие через нейтральные токи (путем обмена виртуальными Z0-бозонами). В результате Монте-Карло моделирование показало, что вероятность такого происхождения зарегистрированного события в 100 раз меньше, чем та же вероятность для резонанса Глэшоу, для которого моделирование спрогнозировало регистрацию 1,55 событий за 4,6 лет наблюдений. То есть о наблюдении резонанса Глэшоу можно говорить с уверенностью в 99 процентов, или же 2,3σ.
Ученые отмечают, что хоть в работе и описана обработка лишь одного события, разработанные методы можно будет использовать для будущих данных и экспериментов, а также для уже существующих результатов и поиска в них нейтрино меньших энергий. Кроме того, точная регистрация потока антинейтрино, в том числе на более масштабных экспериментах, таких как IceCube-Gen2, сможет ограничить существующие модели рождения астрофизических нейтрино, в рамках которых отношение потоков нейтрино и антинейтринно сильно зависит от таких параметров источников, как плотность фотонов, массовый спектр космических лучей и силы магнитного поля.
Однако первые результаты нейтринная астрофизика дает уже сейчас: ранее мы рассказывали о том, что астрофизикам удалось связать нейтрино сверхвысоких энергий со вспышками квазаров. А подробнее про регистрацию астрофизических нейтрино обсерваторией IceCube можно почитать в нашем материале «Ледяное нейтрино».
Никита Козырев
Обычно рентгеноструктурный анализ требует сотен тысяч атомов
Химики из США, Китая и Франции использовали синхротронное излучение для характеризации отдельных ионов железа и тербия в составе комплексных соединений, нанесенных на поверхность золота. Ученые смогли детектировать электронные переходы этих атомов только тогда, когда тонкий металлический детектор располагался точно над атомами металлов. Исследование опубликовано в журнале Nature. Синхротронное излучение позволяет проводить рентгеноструктурные исследования на очень небольших образцах вещества, содержащих около 104 атомов. Но если для регистрации фотоэлектронов использовать очень тонкий металлический детектор, разрешение можно повысить еще сильнее — до всего нескольких десятков атомов в образце. Тем не менее детектировать сигналы от одиночных атомов ученые не умели до сих пор. Но недавно физики и химики под руководством Фолькера Розе (Volker Rose) использовали синхротрон APS в Аргоннской национальной лаборатории для проведения рентгеновского анализа отдельных атомов. Для этого ученые приготовили комплексы железа и тербия с замещенными пиридиновыми лигандами на поверхности золота. Первый эксперимент с синхротронным излучением ученые провели на поверхности с комплексами железа. Они разместили детектор на большом расстоянии (пять нанометров) от образца, при котором невозможно туннелирование фотоэлектронов между поверхностью и детектором. В полученной зависимости энергии фотоэлектронов от тока в детекторе химики наблюдали сигналы от электронных переходов всех ионов железа, расположенных вблизи детектора. В следующем эксперименте физики расположили детектор намного ближе к образцу — так, чтобы фотоэлектроны могли туннелировать. Во время эксперимента ученые обнаружили, что при движении детектора сигналы переходов меняются. Причем сигналы, соответствующие электронным переходам иона железа, появлялись только тогда, когда детектор располагался точно над ионом железа. Тот же самый эксперимент удалось провести и с комплексом тербия. И, как и в случае комплексов железа, сигналы от электронных переходов тербия возникали только при точном расположении детектора над его катионами. Далее ученые решили применить синхротронное излучение для анализа электронной структуры комплексов. Для этого они использовали спектроскопию рентгеновского поглощения в ближней к краю области и проанализировали тонкую структуру полученных сигналов. В результате оказалось, что железо в комплексе имело степень окисления +2, а тербий — +3. Кроме того, удалось выяснить, что 3d-орбитали иона железа взаимодействуют с лигандами, а 4f-орбитали тербия — нет. Так ученые показали, что синхротронное излучение и правильно спроектированный детектор позволяют проводить рентгеноструктурные исследования на отдельных атомах. При этом можно узнать не только то, где они расположены, но и выяснить детали их электронной структуры. Недавно мы рассказывали о том, как сибирские ученые создали клистрон для Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). А прочитать подробнее про историю рентгеноструктурного анализа можно в нашем материале «Деплатформинг структур».