Частица из ниоткуда: учёные поймали сигнал с края Вселенной

В феврале 2023 года под толщей вод Средиземного моря произошло событие, которое стало настоящей сенсацией в мире астрономии.

Детектор KM3NeT, расположенный на глубине 3,45 километра, зафиксировал нейтрино с рекордной энергией в 220 петаэлектронвольт (PeV).

Этот показатель в десятки раз превышает предыдущий рекорд, установленный на уровне 10 PeV. После тщательной проверки данных, связанных с этим явлением, получившим название KM3-230213A, исследователи подтвердили, что это не ошибка и не сбой оборудования, а реальное столкновение космической частицы с Землей.

Анализ показал, что световой сигнал, зарегистрированный детектором, соответствует характеристикам, которые можно ожидать от релятивистской частицы, вероятнее всего, мюона. Это позволило исключить вероятность технических неполадок. На основе данных о направлении и энергии мюонов ученые предположили, что частица возникла в результате взаимодействия астрофизического нейтрино вблизи детектора.

Нейтрино — одни из самых распространенных частиц во Вселенной. Они образуются в условиях экстремально высоких энергий, например, при ядерных реакциях внутри звезд или во время взрывов сверхновых. Эти частицы не имеют электрического заряда, их масса практически равна нулю, а взаимодействие с другими частицами происходит крайне редко.

Каждую секунду через человеческое тело проходят сотни миллиардов нейтрино, не оставляя никакого следа, из-за чего их называют "частицами-призраками". Именно эта неуловимость делает их обнаружение невероятно сложной задачей. Лишь в редких случаях нейтрино сталкивается с другой частицей, создавая каскад вторичных частиц, таких как мюоны и фотоны.

Эти слабые вспышки света могут быть зафиксированы специальными детекторами, работающими в условиях полной темноты, как, например, KM3NeT, погруженный на дно моря.

Обнаружение KM3-230213A вызвало бурные дискуссии в научном сообществе, особенно на фоне того, что другие крупные детекторы, такие как IceCube и Пьер Оже, за десятилетия работы не зафиксировали нейтрино с подобной энергией. Исследователи отметили, что вероятность того, что событие было зафиксировано только одним детектором, невелика — около 1%. При этом были выявлены некоторые расхождения в данных, полученных разными экспериментами.

Ученые также изучили, как это событие вписывается в общую картину распределения энергии нейтрино во Вселенной.

Добавление данных о нейтрино с такой высокой энергией сделало существующие модели поведения этих частиц более точными. Однако наиболее интригующим оказался вывод о том, что открытие может указывать на существование нового источника или механизма генерации нейтрино с ультравысокой энергией, который пока не известен науке.

Среди возможных сценариев происхождения KM3-230213A исследователи выделили так называемые "космогенные нейтрино", которые возникают при взаимодействии космических лучей с микроволновым фоном Вселенной — реликтовым излучением, сохранившимся с момента ее зарождения 13,8 миллиарда лет назад.

Другой гипотезой стало существование неизвестных астрофизических объектов, способных испускать нейтрино в условиях экстремальной активности. Например, это могут быть области вблизи центров галактик, гамма-всплески, связанные со сверхновыми, или другие процессы, связанные с взаимодействием с космическим фоном. При этом ученые считают маловероятным, что частица могла возникнуть внутри нашей Галактики. Скорее всего, ее источник находится в далекой и чрезвычайно активной точке Вселенной.

Команда исследователей сообщила, что сейчас работает над более точным определением траектории нейтрино, чтобы установить его происхождение.

Они подчеркнули, что событие KM3-230213A открывает новые горизонты в изучении нейтрино с ультравысокой энергией и представляет собой первую попытку объединить данные от различных телескопов, работающих в широком диапазоне энергий. Понимание подобных явлений может приблизить человечество к разгадке тайн самых мощных и загадочных объектов во Вселенной.

Уточнения

Средизе́мное мо́ре — межматериковое море, по происхождению представляющее собой глубоководную псевдоабиссальную внутришельфовую депрессию, связанную на западе с Атлантическим океаном Гибралтарским проливом.