Впервые удалось установить происхождение высокоэнергетических нейтрино , что позволило разгадать важную астрономическую загадку.
Для понимания и изучения энергии или материи крайне важно исследовать загадочные субатомные частицы. Физики изучают субатомные частицы — нейтрино — чтобы глубже понять различные события и процессы, из которых они произошли. Мы знаем о звездах, и особенно о Солнце, изучая нейтрино . О Вселенной еще многое предстоит узнать , и понимание того, как функционируют нейтрино, является важнейшим шагом для любого ученого, интересующегося физикой и астрономией.
Что такое нейтрино?
Нейтрино — это парообразные (и очень летучие) частицы, практически не имеющие массы и электрического заряда, способные проходить сквозь любые вещества без каких-либо изменений. Это достигается благодаря способности нейтрино выдерживать экстремальные условия и плотные среды, такие как звезды, планеты и галактики . Важной особенностью нейтрино является то, что они никогда не взаимодействуют с окружающей их материей, что делает их анализ очень сложным. Кроме того, они существуют в трех «ароматах» — электронном, тау- и мюонном, и переключаются между ними во время осцилляций. Это явление называется «смешиванием», и это самая странная область исследования при проведении экспериментов с нейтрино. Наиболее сильная характеристика нейтрино заключается в том, что они несут уникальную информацию о своем точном происхождении. Это объясняется главным образом тем, что нейтрино, несмотря на высокую энергию, не обладают зарядом, поэтому остаются невосприимчивыми к магнитным полям любой мощности. Происхождение нейтрино до конца не изучено. Большинство из них прилетают от Солнца, но небольшое количество, особенно обладающие высокой энергией, прибывают из более глубоких областей космоса . Именно поэтому точное происхождение этих неуловимых странников до сих пор неизвестно, и их называют «частицами-призраками».
Прослежено происхождение нейтрино высоких энергий
В новаторском исследовании близнецов в астрономии, опубликованном в журнале Science , исследователи впервые проследили происхождение призрачной субатомной частицы нейтрино, обнаруженной глубоко во льду Антарктиды после того, как она проделала путь в 3.7 миллиарда лет до планеты Земля 1,2 . Эта работа стала результатом сотрудничества более 300 ученых и 49 учреждений. Высокоэнергетические нейтрино были обнаружены крупнейшим в истории детектором IceCube, установленным на Южном полюсе нейтринной обсерваторией IceCube глубоко во льдах. Для достижения своей цели в льду было пробурено 86 отверстий, каждое глубиной полтора километра, и распределено по сети из более чем 5000 световых датчиков, таким образом, охватывая общую площадь в 1 кубический километр. Детектор IceCube, управляемый Национальным научным фондом США, представляет собой гигантский детектор, состоящий из 86 кабелей, которые проложены в скважинах, простирающихся до глубоких слоев льда. Детекторы регистрируют особый синий свет, излучаемый при взаимодействии нейтрино с атомным ядром. Было обнаружено множество высокоэнергетических нейтрино, но их невозможно было отследить до тех пор, пока под ледяной шапкой не было успешно обнаружено нейтрино с энергией 300 триллионов электронвольт. Эта энергия почти в 50 раз превышает энергию протонов, проходящих через Большой Хардонский коллайдер — самый мощный ускоритель частиц на нашей планете . После этого обнаружения система в реальном времени методично собирала и обрабатывала данные по всему электромагнитному спектру из лабораторий на Земле и в космосе о происхождении этого нейтрино.
Нейтрино удалось отследить до яркой галактики, известной как «блейзер». Блейзер — это гигантская эллиптическая активная галактика с двумя джетами, испускающими нейтрино и гамма-лучи. В её центре находится характерная сверхмассивная и быстро вращающаяся чёрная дыра , и галактика движется к Земле со скоростью, близкой к скорости света. Один из джетов блейзера отличается ослепительно ярким свечением и направлен прямо на Землю, что и дало галактике её название. Галактика блейзер расположена слева от созвездия Ориона, на расстоянии около 4 миллиардов световых лет от Земли. Нейтрино и гамма-лучи были обнаружены обсерваторией, а также 20 телескопами на Земле и в космосе . Первое исследование¹ показало обнаружение нейтрино, а второе последующее исследование² показало, что галактика Блейзер производила эти нейтрино и раньше, в 2014 и 2015 годах. Блейзер, безусловно, является источником чрезвычайно энергичных нейтрино, а следовательно, и космических лучей.
Революционное открытие в астрономии
Открытие этих нейтрино — огромный успех, позволяющий изучать и наблюдать Вселенную беспрецедентным образом. Ученые утверждают, что это открытие может впервые помочь им проследить происхождение загадочных космических лучей. Эти лучи — фрагменты атомов, которые падают на Землю из-за пределов Солнечной системы, двигаясь со скоростью света. Их обвиняют в проблемах со спутниками, системами связи и т. д. В отличие от нейтрино, космические лучи — это заряженные частицы, поэтому магнитные поля постоянно влияют на их траекторию и изменяют её, что делает невозможным отслеживание их происхождения. Космические лучи долгое время были предметом исследований в астрономии, и хотя они были открыты в 1912 году, они остаются большой загадкой.
В будущем, благодаря созданию более крупной нейтринной обсерватории с использованием аналогичной инфраструктуры, как в этом исследовании, можно будет получать результаты быстрее и регистрировать больше данных для обнаружения новых источников нейтрино. Это исследование, проведенное путем регистрации множества наблюдений и учета данных во всем электромагнитном спектре, имеет решающее значение для дальнейшего понимания Вселенной и механизмов физики, управляющих ею. Это яркий пример «многоканальной» астрономии, которая использует как минимум два разных типа сигналов для изучения космоса, что делает ее более мощной и точной в плане обнаружения подобных явлений. Такой подход помог обнаружить столкновения нейтронных звезд, а также гравитационные волны в недавнем прошлом. Каждый из этих сигналов дает нам новые знания о Вселенной и мощных событиях в атмосфере. Кроме того, это может помочь лучше понять экстремальные события, произошедшие миллионы лет назад, которые инициировали движение этих частиц к Земле.
Источник (ы)
1. Коллаборация IceCube и др. 2018. Многоканальные наблюдения вспыхивающего блазара, совпадающего с высокоэнергетическим нейтрино IceCube-170922A. Science . 361(6398). https://doi.org/10.1126/science.aat1378
2. Коллаборация IceCube и др. 2018. Нейтринное излучение из направления блазара TXS 0506+056 до оповещения IceCube-170922A. Science . 361(6398). https://doi.org/10.1126/science.aat2890
