Проникая сквозь звезды и планеты

Троим российским астрофизикам удалось произвести сенсацию мирового масштаба: они открыли, что значительное количество элементарных частиц нейтрино рождается в нашей собственной Галактике, известной под названием Млечный Путь. Члены-корреспонденты Российской академии наук Юрий Ковалев (ФИАН имени П.Н.Лебедева) и Сергей Троицкий (ИЯИ РАН), а также их коллега кандидат физико-математических наук Александр Плавин (ФИАН) пришли к такому заключению на основе расшифровки и анализа данных, полученных с телескопа американской антарктической обсерватории IceCube.

Все началось в сентябре 2020 года, когда консорциум под руководством Института ядерных исследований РАН выиграл трехлетний грант Министерства образования и науки по теме «Нейтрино и астрофизика частиц». В проекте приняли участие семь организаций: ИЯИ РАН, ОИЯИ, ФИАН, МФТИ, САО РАН, ГАИШ МГУ и Иркутский государственный университет. Участниками исследовательской команды стали около 100 ученых, которым предстояло работать над решением вопроса о происхождении нейтрино, а также изучением его свойств. Помимо этого проект предусматривал исследования, направленные на понимание природы астрофизических нейтрино высоких энергий, в частности поиск фотонов того же диапазона энергий на установке «Ковер-3», расположенной в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН на Северном Кавказе. Однако для начала давайте разберемся, что вообще нейтрино и почему к ним проявляется такое повышенное внимание со стороны научной общественности.

«Ультралегкие электрически нейтральные частицы родились в результате взаимодействия элементарных частиц, – комментирует один из авторов открытия Юрий Ковалев. – Они прошивают безграничное космическое пространство, легко проникают сквозь звезды и планеты и по пути практически не взаимодействуют с материей. В этом их уникальность.

Больше всего нейтрино прилетает к нам со стороны Солнца, они обладают энергией на уровне мегаэлектронвольт. Однако, как оказалось, Вселенная «производит» и нейтрино ультравысоких энергий – до петаэлектронвольт. Они могут нам много что рассказать о процессах, протекающих в ядрах далеких галактик, скрытых плотными облаками газа и пыли».

Еще в 2020 году исследователи пришли к выводу, что изначальными «очагами» зарождения нейтрино служат массивные черные дыры, расположенные в центрах активных галактик, являющихся мощными источниками радиоизлучения. Такие ядра зовутся квазарами, и они могут фиксироваться с Земли посредством как оптических, так и радиотелескопов.

По какой же причине нейтрино так интересуют ученых? Дело в том, что нейтрино высоких энергий порождают другие частицы – протоны, способные разгоняться почти до скорости света. А происходит это благодаря естественным космическим ускорителям, можно сказать, суперколлайдерам Вселенной. Нейтрино помогают определить местонахождение этих ускорителей, понять, что они собой представляют и каковы механизмы их функционирования.

По словам Юрия Ковалева, обнаружить нейтрино довольно сложно. Есть возможность сделать это с помощью воды, так как данные частицы способны (хоть и с крайне низкой вероятностью) взаимодействовать с водяными молекулами, что приводит к образованию новых заряженных частиц – мюонов. Их вычисляют по черенковскому излучению, названному так в честь открывшего его лауреата Нобелевской премии академика Павла Черенкова. Фиксируется это свечение фотоэлектронными умножителями – оптическими детекторами, помещенными в воду или лед и встроенными в системы телескопов. Именно по снимкам, на которых изображены светящиеся пролеты мюонов, удается определить, откуда явились к нам нейтрино, когда это случилось и каков уровень их энергии.

На сегодняшний день «ловлей» нейтрино заняты всего три обсерватории в мире: американская IceCube, встроенная глубоко в толщу льда в Антарктиде, французский KM3NeT, расположенный в Средиземном море на глубине 2400 метров, и, наконец, наш отечественный подводный Байкальский нейтринный телескоп, который начал выдавать результаты лишь недавно.

Проще всего нашим соотечественникам было проанализировать данные с телескопа IceCube. Эта обсерватория имеет гигантский объем – около 1 кубического километра. Фотоэлектронный умножитель и прочие электронные устройства размещены внутри прозрачного шара, способного без проблем выдерживать давление полутора километров воды. Как только происходит вспышка, указывающая на взаимодействие нейтрино с водой, комплекс приборов внутри шара фиксирует информацию и передает сведения по кабелю на берег операторам. Он способен улавливать не так много частиц, однако этого хватает для работы.

Но как исследователям удается выяснять, какие именно нейтрино зародились в пределах Млечного Пути, а какие вне его? Как утверждает Юрий Ковалев, если частицы распределены по небу однородно, значит, они «чужие». Если же они «родные», то летят только по определенным направлениям – из плоскости нашей Галактики. Кроме того, нейтрино и мюоны могут вырабатываться и в земной атмосфере, и даже в самих детекторах обсерватории в процессе взаимодействия космического излучения с веществом. Поэтому перед специалистами стоит задача «убрать шум», то есть отсеять такие «доморощенные» частицы от тех, что пришли из космоса.

В результате исследования показали, что около трети зафиксированных аппаратурой высокоэнергетичных нейтрино происходят из нашей родной Галактики.

«Наша группа взаимодействует со всеми тремя нейтринными телескопами, и мы надеемся, что новые данные помогут детально разобраться в суперколлайдерах», – говорит Ковалев. Детали исследования были опубликованы в ведущем международном издании Astrophysical Journal.

Ирина ШЛИОНСКАЯ