Хотели бы видеть сквозь стены? А узнать, что происходит в центре Солнца или как развивалась Вселенная? Я бы очень хотел. В этом может помочь новейший нейтринный детектор — прибор, который ловит нейтрино, те самые загадочные частицы. Сколько же ученые с ними натерпелись!
Нейтрино были предсказаны физиком Вольфгангом Паули еще в 1930 году. Но чтобы обнаружить их, понадобилось больше четверти века. Дальше — интереснее. Оказалось, их целых три сорта, а масса нейтрино не описывается существующей Стандартной моделью, которая точно предсказывает свойства всех остальных элементарных частиц — от электронов и фотонов до бозона Хиггса. Если хотите узнать подробнее о непоседливых частицах, напишите об этом в комментариях. Возможно, в следующий раз напишу пост именно об этом.
Я — Саша Баулин из команды МТС. Сегодня обсудим, как удается поймать почти неуловимые нейтрино. Какую информацию от них мы получаем и чем отличился в этой охоте европейский нейтринный телескоп KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope)? Поехали!
Частица круче Ахиллеса
Древнегреческого героя можно было поразить только в пятку. Нейтрино — круче: частица участвует только в гравитационном и слабом взаимодействиях. А массу имеет такую ничтожную, что ее до сих пор не удалось точно измерить (но известно, что она есть) — соответственно, надежд на силы притяжения нет. Остается участие частицы в процессах со слабым взаимодействием. С одной стороны, они не так уж редки — например, при бета-распаде атомных ядер (с выделением электрона) излучается нейтрино или антинейтрино. Не будем углубляться в разницу между ними: она не принципиальна для этого текста.
В результате нейтрино очень редко взаимодействует с веществом. Например, в центре Солнца вещество настолько плотное, что испущенные фотоны тратят миллионы лет на путь оттуда к поверхности Солнца и дальше во Вселенную: они постоянно поглощаются и переизлучаются. Но нейтрино легко проносятся сквозь эту плотную среду, почти со скоростью света.
Получается, нейтрино одинаково эффективно могут дать информацию о происходящих в недрах соседней АЭС, из центра Земли, от Солнца или от далекого квазара и даже из ранней Вселенной. Вот только прочитать эту информацию нелегко.
Каждый квадратный сантиметр Земли ежесекундно пронзают миллиарды нейтрино. Но, чтобы поймать их, нужны детекторы, содержащие миллионы тонн вещества. Обычно в качестве рабочего тела используется вода. Например, на установке IceCube детекторы погружены во льды Антарктиды. На Байкальском глубоководном нейтринном телескопе Baikal-GVD — прямо в воды озера.
Герой нашего рассказа, нейтринный телескоп KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope), использует просторы Средиземного моря. Во всех случаях детекторы погружают на сотни метров под поверхность. Такая толща льда или воды поглотит любые другие частицы, начиная с фотонов света и заканчивая протонами и электронами.
Каждый детектор — оптический фотоумножитель. Если нейтрино провзаимодействует с веществом, оно породит частицу, которая будет двигаться быстрее скорости света в воде. Теория относительности тут не нарушается, и ситуация хорошо известна ученым: возникает хорошо описанное свечение Вавилова-Черенкова. Излучение зафиксируют детекторы, по характеристикам свечения можно будет восстановить характеристики нейтрино — а значит, и явление, которое их вызвало. В зависимости от энергии нейтрино можно понять: излучила их АЭС, ядро Земли, Солнце, черная дыра, или произошло что-то новое. И наоборот, можно больше узнать о нейтрино. Изучая поток этих частиц от Солнца, ученые поняли, что в мире существует как минимум три типа нейтрино. А некоторые уверены, что удастся открыть и четвертый тип.
Получается, нейтринные детекторы изучают самые масштабные явления во Вселенной и одновременно устройство нашего мира на микроуровне. Нейтринный телескоп KM3NeT уникален тем, что как раз работает в обоих направлениях: ищет источники нейтрино во Вселенной и пытается изучить свойства непоседливой частицы.
Средиземноморский долгострой
KM3NeT строят уже 13 лет, и он до сих пор не достиг запланированных размеров и количества детекторов. Это не значит, что строители не торопятся: так развиваются все нейтринные телескопы на природной воде (льду). Инженеры опускают на глубину порядка километра все новые нити с детекторами, а устройство сразу работает, просто улучшая с каждым годом свои характеристики. В завершенном виде KM3NeT займет объем свыше одного кубического километра. В проекте задействована огромная команда из 360 ученых, инженеров, техников и студентов из 68 учреждений 21 страны мира.
KM3NeT включает две типа детекторов — ARCA и ORCA. Первый больше нацелен на поиск источников нейтрино, а второй — на изучение свойств приходящих частиц.
Если подробнее, детекторы ARCA исследуют нейтрино очень высоких энергий и ищут их источники во Вселенной. Они размещены на глубине 3 450 м, примерно в 80 км от побережья Портопало-ди-Капо-Пассеро на Сицилии. ARCA состоит из детектирующих юнитов (DU), закрепленных каждые 100 м на канатах общей высотой 700 м. В каждом юните — по 18 цифровых оптических модулей (DOM), содержащих по 31 фотоумножителю (ФЭУ). В окончательной конфигурации ARCA объединит 230 детектирующих единиц. Детектирующие юниты объединены в два домена радиусом по 500 м каждый. Такая большая площадь нужна, чтобы как можно точнее устанавливать энергию и направление приходящих частиц.
ORCA, второй тип детекторов, находится на глубине 2 450 м, примерно в 40 км от побережья Тулона во Франции. В финальной конфигурации он получит 115 детектирующих единиц, они будут располагаться каждые 20 м на канатах высотой 200 м. Размещены эти детекторы компактно, в одном домене радиусом 100 м. Тут важнее узнать не источник частицы, а изучить ее саму: как она реагирует с молекулой воды, какие у нее характеристики. Для этого лучше поставить детекторы как можно плотнее. Данные, зарегистрированные ORCA, направляются на береговую станцию для дальнейшего анализа.
Кроме упомянутых Baikal-GVD и IceCube в Антарктиде, есть еще детекторы, которые в качестве рабочего тела используют сверхчистую воду или даже галий-германиевый сплав. С одной стороны, это позволяет изучать нейтрино разных энергий. С другой — телескопы помогают друг другу, определяя направление на источник нейтрино и отсеивая случайные сигналы. Но в этот раз повезло именно европейцам.
Ну хорошо, расскажите уже про открытие
KM3NeT только строится, но уже совершил открытие — зафиксировал нейтрино самой высокой энергии из когда-либо обнаруженных человечеством. Детектор ARCA обнаружил частицу еще два года назад — 13 февраля 2023 года. Он зарегистрировал нейтрино с рекордно высокой энергией — около 220 петаэлектронвольт. Предыдущие обнаруженные нейтрино имели примерно в 1 000 раз меньшую энергию.
Событие, получившее обозначение KM3-230213A, стало первым прямым свидетельством существования сверхвысокоэнергетических нейтрино во Вселенной.
Зафиксированное явление классифицировано как одиночный мюон. Мюон имел скорость выше скорости света в воде, и поэтому породил черенковское излучение. Это излучение зафиксировали более трети активных сенсоров. Энергия была настолько огромной, что ближайшие к точке входа детекторы оказались полностью перегружены.
Нейтрино уже губило научные карьеры. Например, руководитель коллаборации Opera решил опубликовать данные об обнаружении сверхсветовых нейтрино. Но из-за найденной ошибки физику Антонио Эредитато, который руководил проектом, пришлось подать в отставку. Чтобы не повторить путь Эредитато, ученые два года проверяли полученные данные — нет ли здесь ошибки. Потом искали возможные источники в космосе, откуда могла прийти сверхвысокоэнергетическая частица. И только после всех проверок и анализа опубликовали научную работу.
Аарт Хейбур, отвечающий за физику и программное обеспечение в проекте KM3NeT и исследователь Национального института субатомной физики Нидерландов, сообщил: «Для определения направления и энергии этого нейтрино потребовалась точная калибровка телескопа и сложные алгоритмы реконструкции треков. Более того, это обнаружение было достигнуто всего с одной десятой частью окончательной конфигурации детектора, что демонстрирует огромный потенциал нашего эксперимента для изучения нейтрино и нейтринной астрономии».
Анализ временных меток сигналов и высвободившейся энергии позволил исследователям определить направление прибытия мюона: он двигался почти параллельно поверхности Земли.
Результаты вычисления энергии частицы, 220 петаэлектронвольт, однозначно указывают на то, что мюон появился при взаимодействии нейтрино с водой океана возле детектора. Дело в том, что на Земле нет процессов, которые могли бы породить мюон с такой энергией. Правда, высокоэнергетические космические лучи способны генерировать мюоны при столкновениях с молекулами в атмосфере, но эти вторичные частицы не живут так долго, чтобы достичь морского дна, тем более идя по горизонтальной траектории. Единственная частица, способная беспрепятственно достигнуть океанского дна и породить подобный мюон, — нейтрино.
Откуда взялась такая мощная частица
Ученые пока не могут точно объяснить, как она получила настолько колоссальную энергию. Собственно, ради таких новых данных и создаются все более мощные установки.
Одна из гипотез предполагает, что высокоэнергетические гамма-лучи могут преобразовывать энергию в материю при взаимодействии с реликтовым излучением Вселенной. В результате как раз и рождаются сверхвысокоэнергетические частицы.
Поиск ближайших к нам источников гамма-излучения в направлении предполагаемого происхождения нейтрино не дал результатов. В более отдаленных уголках Вселенной располагаются блазары — черные дыры в центре галактик, выбрасывающие мощные джеты частиц и света, направленные в сторону Земли. Исследовательская группа идентифицировала около дюжины высокоэнергетических астрофизических объектов в районе, откуда мог прилететь этот нейтрино, и два из них находятся в пределах 1% отклонения от рассчитанной траектории.
Полагаю, что нейтрино могло быть порождено и объектами, которые описаны теоретически, но ни разу не наблюдались — белой дырой, кротовой норой Эйнштейна-Розена-Подольского и другими экзотическими объектами. А может, мы чего-то не знаем о свойствах нейтрино и неправильно интерпретируем информацию. В любом случае для уточнения природы появления частиц с рекордной энергией нужно зафиксировать больше таких событий.
Ну и подытожу. Если есть источники, регулярно испускающие высокоэнергетические нейтрино, то их детектирование сразу тремя нейтринными телескопами позволит точно определить их местоположение и природу. Так что ученые смогут изучать космические объекты не только по их электромагнитному излучению (свету в разных диапазонах — от радио до гамма-лучей), но и по потоку нейтрино, приходящему от этих объектов. Можно сказать, что у ученых откроется третий глаз на Вселенную. Ждем с нетерпением!