23 ноября 2017

Учёные выяснили, как много нейтрино проходит через ядро Земли

Наблюдения за нейтрино сверхвысоких энергий при помощи детектора IceCube помогли физикам выяснить, как много этих частиц проходит через ядро Земли и доказать, что часть из них поглощается недрами планеты, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

"Это открытие крайне важно по той причине, что оно впервые показало, что нейтрино сверхвысоких энергий могут взаимодействовать и поглощаться другими формами материи, в данном случае, недрами Земли. Мы и до этого знали, что нейтрино низких энергий могут пролетать через что угодно, и, хотя мы и ожидали, что частицы высоких энергий будут вести себя иначе, доказать это нам раньше не удавалось", 

— заявил Даг Коуэн (Doug Cowen) из университета Пенсильвании в Филадельфии (США).

Нейтринный телескоп IceCube является самой большой в мире обсерваторией, предназначенной для изучения потоков нейтрино и мюонов космического происхождения. Она расположена на территории антарктической станции Амундсен-Скотт, у южного полюса Земли. Постройка обсерватории началась в 2005 году и была завершена в декабре 2010 года. Главная задача детектора — обнаружение основных источников нейтрино в космосе.

Одной из отличительных особенностей IceCube является то, что данный детектор может следить за нейтрино в очень широком диапазоне энергий, начиная с космических аналогов маломощных частиц, которые можно получить даже при помощи земных ядерных реакторов и ускорителей материи, и заканчивая нейтрино сверхвысоких энергий, вплотную подобравшихся к так называемому пределу Грайзена-Зацепина-Кузьмина.

Под этим словом ученые понимают количество энергии, которую может иметь нейтрино или космический луч, движущийся к Земле от далеких галактик и прочих объектов космоса. Корпускулы, "нарушающие" этот предел, начнут взаимодействовать с микроволновым "эхом" Большого Взрыва, образуя пионы и другие заряженные частицы, и терять энергию. Сегодня физики ожесточенно спорят о том, могут ли нейтрино и другие частицы не соблюдать этот предел, и данные с IceCube могут помочь разрешить этот диспут.

Стандартная модель физики, как отмечает Коуэн, к тому же предсказывает, что нейтрино не будут отличаться в этом плане от других космических лучей и элементарных частиц – вероятность их взаимодействия с другими формами материи должна расти по мере приближения к этому пределу.

С другой стороны, несмотря на этот рост, она будет оставаться крайне невысокой, и следы взаимодействия частиц можно будет увидеть только в том случае, если нейтрино будет проходить через многокилометровый слой очень плотной материи. IceCube может решить эту задачу, так как он может наблюдать за частицами, проходящими всю толщу планеты, и определять направление, откуда они прилетели.

Для поисков ответа на этот вопрос ученые воспользовались простым наблюдением — нейтрино высоких энергий должны взаимодействовать с материей чаще, чем нейтрино низких энергий. Поэтому число подобных частиц, попавших в IceCube со стороны северного полюса и пролетевших через ядро Земли, будет заметно меньшим, чем со стороны экватора и "боков" планеты.

Руководствуясь этой идеей, ученые проанализировали данные, накопленные IceCube в первый год его работы, за который детекторы установки зафиксировали примерно 10 тысяч нейтрино, пролетевших через детектор со стороны "центра" планеты. Изучив их свойства, ученые подсчитали число и доли нейтрино высоких и низких энергий, пролетевших через ядро Земли и окраины планеты, и сравнили их между собой.

Как оказалось, предсказания Стандартной модели были верны – доля нейтрино, пролетевших через центр планеты, заметным образом падала по мере повышения энергии частиц. Сопоставив эти значения, Коуэн и его коллеги вычислили скорость, с которой нейтрино "толстеет" по мере роста энергии.
Результаты расчетов почти полностью совпали с тем, что говорит классическая теория, что ставит под сомнение идеи о существовании "лишних" измерений или экзотических переносчиков взаимодействий между лептонами и кварками.

"После обновления IceCube мы проведем новую серию измерений, которые помогут нам избавиться от погрешностей и выйти на более высокие энергии. Когда мы достигнем этого уровня, мы сможем проследить за тем, как поглощение нейтрино влияет на поведение материи ядра Земли и его электромагнитные свойства", 

— заключает Спенсер Кляйн (Spencer Klein) из университета Калифорнии в Беркли (США).