Нейтринная астрономия выходит на промышленный уровень Дмитрий Вибе

Нейтринная астрономия выходит на промышленный уровень

Дмитрий Вибе

Опубликовано 10 декабря 2013

У нас есть четыре канала для получения информации о космосе. Первый — наиболее обильный и информативный — электромагнитное излучение: от гамма-лучей до многометровых радиоволн. Второй — наиболее непосредственный, но с ограниченным радиусом действия, — прямое изучение: пробы грунта, метеориты, исследование зондами и спускаемыми аппаратами. Этот канал пока что работает только кое-где в Солнечной системе и слегка за её пределами (если считать прямым изучением работу приборов «Вояджера-1»). Третий канал — космические лучи. К сожалению, этот канал весьма расплывчат. Частицы космических лучей обладают зарядом и потому накручиваются на силовые линии магнитного поля, которое в нашей Галактике имеет весьма запутанный вид. «Память» о направлении на источник сохраняют только частицы самых высоких энергий.

Четвёртый, весьма привлекательный канал — нейтрино. В отличие от космических лучей, нейтрино не отклоняются магнитным полем, поэтому направление прилёта частицы указывает непосредственно на её источник. Они очень слабо поглощаются веществом, то есть переносят информацию на колоссальные расстояния практически без искажений. Возьмём, к примеру, Солнце. При термоядерных реакциях в солнечном ядре генерируются и фотоны, и нейтрино. Но фотон, излучённый солнечной поверхностью и попавший к нам, — это далеко не тот фотон, что был порождён цепочкой реакций превращения водорода в гелий. Исходный гамма-квант на пути к поверхности звезды меняется до неузнаваемости, многократно поглощаясь, переизлучаясь и дробясь на фотоны меньших энергий, так что до нас он доносит только информацию о том, что в ядре Солнца почему-то выделяется энергия. Другое дело — нейтрино. Они, будучи непосредственным продуктом термоядерных реакций, убедительно доказывают, что в солнечном ядре энергия выделяется именно в этих реакциях, а не в химических процессах или из-за гравитационного сжатия.

Но, к сожалению, продолжением достоинств нейтрино являются их недостатки. Лёгкость, с которой нейтрино покидают Солнце, соответствует лёгкости, с которой они проходят через детекторы. Поэтому наблюдения нейтрино — задача непростая и недешёвая. Хотя нейтринная астрономия ведёт свою историю с 1960-х годов, вплоть до недавнего времени у неё был практически единственный объект для исследований — Солнце. Этого, правда, хватило, чтобы на длительный срок обеспокоить научное сообщество проблемой солнечных нейтрино, но всё-таки одного объекта для целой отрасли астрономии как-то маловато.

И вот теперь ситуация меняется: начались регулярные наблюдения нейтрино, рождающихся не просто вне Солнечной системы, но, возможно, вне нашей Галактики. Справедливости ради стоит отметить, что один раз, в 1987 году, внегалактические нейтрино уже наблюдались. Их источником была вспышка сверхновой 1987A в Большом Магеллановом Облаке, но то было эксклюзивное событие, впрочем, ставшее важным этапом на пути постижения как физики вспышки, так и свойств нейтрино.

Для первых регулярных наблюдений потребовался суперинструмент — нейтринный детектор объёмом в кубокилометр IceCube, установленный (точнее, закопанный) близ Южного полюса. Принцип его действия заключается в фиксации черенковского излучения, генерируемого при пролёте частиц высоких энергий через рабочее тело детектора, в качестве которого используется антарктический лёд. Устроен детектор очень просто: в толщу льда погружено 86 нитей, на каждой из которых с интервалом в 17 м нанизано по 60 фотоумножителей, самый верхний — на глубине 1 450 м, самый нижний — на глубине 2 450 м. Нити расположены в вершинах равносторонних треугольников на расстоянии 125 м друг от друга.

События, фиксируемые детектором, бывают двух видов. Мюонное нейтрино, взаимодействуя с молекулами воды, порождает мюон, который летит сквозь лёд примерно по той же траектории, что и породившее его нейтрино (событие типа «трек»). По возникающему при этом черенковскому излучению можно с высокой точностью (около половины градуса) восстановить направление прилёта нейтрино. Энергия восстанавливается хуже, потому что мюон может родиться вне детектора или, наоборот, вылететь за его пределы, растеряв часть энергии там, где его «не видят» фотоумножители. Частицы, рождающиеся при взаимодействии со льдом электронных и тау-нейтрино, разлетаются в стороны, образуя событие типа «ливень». Они способны пролететь сквозь лёд на значительно меньшее расстояние, чем мюоны, поэтому почти вся энергия родительского нейтрино остаётся и измеряется внутри детектора. За большую точность измерения энергии приходится платить погрешностями в координатах источника порядка 10–15°.

Телескоп IceCube ориентирован на поиск нейтрино высоких энергий, начиная от десятков гигаэлектронвольт. Такие нейтрино могут иметь как земное, так и внеземное происхождение. В первом случае они генерируются при взаимодействии космических лучей с земной атмосферой, во втором… Собственно говоря, IceCube отчасти и нужен, чтобы разгадать их происхождение во втором случае. Проблема состоит в том, что IceCube непосредственно регистрирует не мюоны и не нейтрино, а свет. И у него, как у любого телескопа, есть паразитная засветка. Основной вклад в сигнал дают атмосферные мюоны, рождающиеся при проникновении частиц космических лучей в воздушную оболочку Земли. Их IceCube регистрирует примерно 10¹¹ штук в год, но они относительно легко отфильтровываются, поскольку летят преимущественно сверху. Далее по численности идут атмосферные нейтрино, также рождающиеся при взаимодействии космических лучей и атмосферы и регистрируемые примерно каждые шесть минут. Их отфильтровать уже сложнее, так как они летят со всех сторон и, вообще говоря, не отличаются от астрофизических нейтрино.

Однако количество атмосферных нейтрино сильно падает с увеличением энергии: частиц с энергией больше 100 ТэВ среди них почти нет. Поэтому, если детектор фиксирует нейтрино большей энергии, это, скорее всего, частица внеземного происхождения. Не удивительно, что первая пара найденных астрофизических нейтрино имела энергии значительно выше этого предела, а именно порядка 1 ПэВ. Более тщательный анализ собранных за два года данных позволил выделить ещё 26 подозрительных событий, то есть вспышек света, выдающих проникновение в детектор нейтрино с энергиями от 30 ТэВ и выше. Статистические оценки показывают, что из этих 28 частиц к атмосферным нейтрино могут относиться около 10, так что большая их часть родилась вне Земли.

Из 28 событий только семь оказались треками, поэтому координаты источников известны с не очень высокой точностью. Приблизительное их расположение указывает на некоторую концентрацию к галактическому центру, однако в статье указано, что это сгущение статистически незначимо. В направлениях прихода нейтрино также нет связи с галактической плоскостью. Отсутствие концентрации к Млечному Пути считается указанием на внегалактическую природу, однако и корреляции с активными ядрами галактик и гамма-всплесками (потенциальными источниками частиц высоких энергий) зарегистрированные нейтрино также не обнаруживают. Тем не менее косвенные данные говорят о том, что их источники находятся вне нашей Галактики.

Конечно, было бы странно ожидать каких-то откровений от первых трёх десятков частиц. Здесь скорее важно другое: нейтринная астрономия вышла на уровень регулярных наблюдений всего неба, то есть перестала быть астрономией одного объекта. Следующий шаг в её развитии — создание других обсерваторий, которые масштабом были бы сравнимы с IceCube. Приоритет в нейтринной астрономии пока держит Южное полушарие, но Северное не собирается отставать. Правда, в наших широтах нет таких мощных залежей льда, но, как показывает опыт, нейтринный телескоп можно устроить и в воде. Таковы, например, уже действующий телескоп чего-нибудьANTARES и планируемая обсерватория KM3NeT. Есть планы по созданию детектора объёмом в 1 км³ на базе Байкальского нейтринного телескопа. В октябре 2013 года представители четырёх нейтринных коллабораций — Байкальской, ANTARES, IceCube и KM3NeT — договорились о более тесном сотрудничестве в рамках Глобальной нейтринной сети, которая должна стать первым шагом к Глобальной нейтринной обсерватории. Кроме того, уже сейчас действуют совместные системы нейтринных и оптических наблюдений, чтобы можно было оперативно посмотреть в направлении прилёта нейтрино высокой энергии, нет ли там интересного. Пока интересного ничего не было, но ведь история нейтринной астрономии только начинается.

К оглавлению