Научпоп

26 июля 2022, 20:03

Эксклюзив NV

Фабрики нейтрино. Ученые выяснили происхождение призрачных частиц, которые мчатся к нам сквозь космос

Международная команда астрофизиков выяснила происхождение одной из самых загадочных частиц нашего мира — нейтрино высоких энергий. Их источником могут быть некоторые из самых ярких и энергичных объектов во Вселенной.

Астрофизики называют нейтрино призрачными частицами не просто так. Несмотря на то, что это одна из самых распространенных частиц во Вселенной, уловить их практически невозможно.

Из-за этого ученые не могут толком их изучить.

Эти частицы впервые обнаружили в 1930-х годах. Нейтрино настолько быстрые, что долгое время ученые считали, что они не обладают никакой массой и движутся сквозь Вселенную со скоростью света. Доказать, что это не так, физикам удалось совсем недавно.

Подпишитесь, чтобы прочитать целиком

Нам необходима ваша поддержка, чтобы заниматься качественной журналистикой

Подписаться
Первый месяц 1 ₴. Отписаться можно в любой момент

Некоторые из существующих сейчас нейтрино появились в первые мгновения возникновения нашего мира — и теперь они летят сквозь космос практически без какого-либо сопротивления. Эти частицы практически никак не взаимодействуют с обычной материей: они беспрепятственно проходят сквозь планеты, астероиды и даже наши тела.

Мы знаем, откуда берутся обычные нейтрино. Возьмите любую ядерную реакцию — и можете быть уверенным, что в нем будет участвовать эта частица. Большинство нейтрино, которые все-таки улавливают наземные детекторы, происходят от Солнца или других звезд.

Однако существует еще один вид этих частиц. Те нейтрино, которые исходят от Солнца и сверхновых, ученые назвают низкоэнергетическими. Однако существуют также высокоэлектрические нейтрино, несущие в себе большее количество энергии (больше 10 гигаэлектронвольт по сравнению с 10 мегаэлектронвольт), которые представляют еще большую загадку для ученых, ведь мы до сих пор не знаем, что является их источником.

Новое исследование международной команды астрофизиков, представленное в журнале The Astrophysical Journal Letters, показало, что нейтрино высоких энергий могут выпускать блазары — чрезвычайно яркие галактики со сверхмассивной черной дырой в центре, которые выпускают струи плазмы, направленные в нашу сторону.

Улавливать нейтрино — чрезвычайно сложная задача, поскольку эти частицы практически не взаимодействуют с обычной материей, в большинстве случаев проходя сквозь нее.

Чтобы компенсировать это, ученые должны использоваться большое количество вещества, увеличивая шансы на взаимодействие его частицы с нейтрино. Лучше всего для этого подходит вода как максимально доступное и недорогое вещество, которое есть у нас в больших количествах.

Кроме того, из-за технических особенностей самих детекторов, их обычно строят в особых местах: на глубине в озерах и даже океанах. Вдаваться в эти самые технические особенности их работы мы не будем, ведь нас больше интересуют результаты работы детекторов.

Сегодня есть два детектора, которые построены специально для обнаружения нейтрино высоких энергий: Байкальский детектор на озере Байкал и Антарктический мюонно-нейтринный массив детекторов, который сейчас является частью большого проекта IceCube, посвященного обнаружению и изучению всех возможных нейтрино. Это кубический километр льда, пронизанный десятками нитей приемников размером с Эйфелеву башню, расположенных на километровой глубине под поверхностью.

В 2012 году ученые IceCube впервые обнаружили два нейтрино, которые не было не похожи ни на что другое, обнаруженное до сих пор. Это были чрезвычайно высокоэнергечные нейтрино, которые несли в несебе в миллионы раз больше энергии, чем обычные «солнечные» нейтрино. Все, что было ясно тогда — что эти частицы пришли к нам из межгалактического пространства, однако ученые не смогли установить, что именно было их источником.

В 2018 году ученые выяснили, что эти два нейтрино, как и десятки других, обнаруженных после 2012-го, происходили от блазара TXS 0506+056, который находится в 4 млрд световых годах от Земли. Здесь ученым подыграла призрачная природа нейтрино, вед поскольку они практически не взаимодействуют с материей, они путешествуют сквозь космос по прямой линии, что и позволило исследователям выйти на этот блазар.

Группа ученых под руководством астрофизика из Вюрцбургского университета Сары Бьюсон решили докопаться до сути. Они изучили данные IceCube за семь лет и сравнили маршруты обнаруженных нейтрино с каталогом блазаров. «С помощью этих данных мы должны были доказать, что положение блазаров совпадает с направлением нейтрино не случайно», — говорит астрофизик Андреа Трамасере из Женевского университета, также участвовавший в исследовании.

Ученым действительно удалось подтвердить, что некоторые нейтрино, обнаруженные детектором, происходят из блазара. Происходит это примерно так: блазар «выплевывает» плазму в космос в виде космического луча или релятивистской струи, которая мчится сквозь пространство практически со скоростью света. Так и зарождаются нейтрино, которые затем продолжают путь, заданный лучом, который постепенно утихает в результате взаимодействия с пространством.

Ученые уверены, что их исследование решает сразу две загадки, над которыми исследователи бились на протяжении длительного времени: происхождение высокоэнергетических космических лучей и высокоэнергетических нейтрино. Ответом на эти две загадки является один астрономический объект — блазар. И это — большой шаг для астрофизики, отмечает Трамасере.

Открытие этих фабрик нейтрино высоких энергий представляет собой важную веху для астрофизики. Открытие связи между блазарами, космическими лучами и высокоэнергичными нейтрино может стать «розеттским камнем» астрофизики высоких энергий.

Несмотря на свой успех, исследовательская группа считает, что это лишь верхушка айсберга. Сейчас перед учеными стоит сразу несколько вопросов, которые требуют дальнейшего изучения.

Во-первых, нужно выяснить, почему некоторые блазары испускают высокоэнергичные космические лучи, а другие — нет. Так исследователи сумеют понять, какие именно характеристики блазаров делают их «фабрикой» по производству нейтрино высоких энергий.

Во-вторых, дальнейший анализ данных о нейтрино, которые уловил детектор IceCube, поможет ученым открыть другие места рождения этих призрачных частиц.

Другие новости

Все новости