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