Фабрики нейтрино. Вчені з’ясували походження примарних частинок, які мчать до нас крізь космос

Деякі з нейтрино, що існують зараз, з’явилися в перші миті виникнення нашого світу — і тепер вони летять крізь космос практично без будь-якого опору. Ці частинки практично не взаємодіють зі звичайною матерією: вони безперешкодно проходять крізь планети, астероїди і навіть наші тіла.

Ми знаємо, звідки беруться звичайні нейтрино. Візьміть будь-яку ядерну реакцію і можете бути впевненим, що в ньому братиме участь ця частинка. Більшість нейтрино, які таки вловлюють наземні детектори, походять від Сонця чи інших зірок.

Однак є ще один вид цих частинок. Ті нейтрино, які походять від Сонця та наднових, вчені називають низькоенергетичними. Однак є також високоелектричні нейтрино, що несуть у собі більшу кількість енергії (більше ніж 10 гігаелектронвольт порівняно з 10 мегаелектронвольт), які становлять ще більшу загадку для вчених, адже ми досі не знаємо, що є їхнім джерелом.

Нове дослідження міжнародної команди астрофізиків, представлене в журналі The Astrophysical Journal Letters, показало, що нейтрино високих енергій можуть випускати блазари — надзвичайно яскраві галактики з надмасивною чорною дірою в центрі, які випускають струмені плазми, спрямовані в наш бік.

Вловлювати нейтрино — надзвичайно складне завдання, оскільки ці частинки практично не взаємодіють зі звичайною матерією, здебільшого проходячи крізь неї.

Щоб компенсувати це, вчені повинні використовувати велику кількість речовини, збільшуючи шанси на взаємодію її частинки з нейтрино. Найкраще для цього підходить вода як максимально доступна та недорога речовина, яка є у нас у великих кількостях.

Крім того, через технічні особливості самих детекторів їх зазвичай будують в особливих місцях: на глибині в озерах і навіть океанах. Вдаватися в ці технічні особливості їхньої роботи ми не будемо, адже нас більше цікавлять результати роботи детекторів.

Сьогодні є два детектори, які побудовані спеціально для виявлення нейтрино високих енергій: Байкальський детектор на озері Байкал та Антарктичний мюонно-нейтринний масив детекторів, який зараз є частиною великого проекту IceCube, присвяченого виявленню та вивченню всіх можливих нейтрино. Це кубічний кілометр льоду, пронизаний десятками ниток приймачів розміром з Ейфелеву вежу, що розташовані на кілометровій глибині під поверхнею.

У 2012 році вчені IceCube вперше виявили два нейтрино, які не були не схожі ні на що інше, виявлене досі. Це були надзвичайно високоенергетичні нейтрино, які несли в небі в мільйони разів більше енергії, ніж звичайні «сонячні» нейтрино. Все, що було зрозуміло тоді — що ці частки прийшли до нас із міжгалактичного простору, проте вчені не змогли встановити, що саме було їхнім джерелом.

У 2018 році вчені з’ясували, що ці два нейтрино, як і десятки інших, виявлених після 2012-го, походили від блазару TXS 0506+056, який розміщується за 4 млрд світлових років від Землі. Тут вченим підіграла примарна природа нейтрино, оскільки вони практично не взаємодіють з матерією, вони подорожують крізь космос по прямій лінії, що і дало можливість дослідникам вийти на цей блазар.

Група вчених під керівництвом астрофізика із Вюрцбурзького університету Сари Б’юсон вирішили докопатися до суті. Вони вивчили дані IceCube за сім років і порівняли маршрути виявлених нейтрино з каталогом блазарів. «За допомогою цих даних ми повинні були довести, що становище блазарів збігається з напрямком нейтрино не випадково», — каже астрофізик Андреа Трамасере з Женевського університету, який також брав участь у дослідженні.

Вченим справді вдалося підтвердити, деякі нейтрино, виявлені детектором, походять із блазара. Відбувається це приблизно так: блазар «випльовує» плазму в космос у вигляді космічного променя або релятивістського струменя, який мчить крізь простір практично зі швидкістю світла. Так і зароджуються нейтрино, які продовжують шлях, заданий променем, який поступово вщухає внаслідок взаємодії з простором.

Вчені впевнені, що їхнє дослідження розв’язує одразу дві загадки, над якими дослідники билися протягом тривалого часу: походження високоенергетичних космічних променів та високоенергетичних нейтрино. Відповіддю на ці дві загадки є один астрономічний об'єкт — блазар. І це великий крок для астрофізики, зазначає Трамасере.

Відкриття цих фабрик нейтрино високих енергій є важливою віхою для астрофізики. Відкриття зв’язку між блазарами, космічними променями та високоенергійними нейтрино може стати «розетським каменем» астрофізики високих енергій.

Незважаючи на свій успіх, дослідницька група вважає, що це лише верхівка айсбергу. Зараз перед вченими стоїть одразу кілька питань, які потребують подальшого вивчення.

По-перше, потрібно з’ясувати, чому деякі блазари випромінюють високоенергійні космічні промені, інші — ні. Так дослідники зможуть зрозуміти, які саме властивості блазарів роблять їх «фабрикою» з виробництва нейтрино високих енергій.

По-друге, подальший аналіз даних про нейтрино, які вловив детектор IceCube, допоможе вченим відкрити інші місця народження цих примарних частинок.