Нейтрино

---

...

Событие KM3-230213A пришлось на сезон наблюдений ARCA21 (детектор KM3NeT/ARCA с 21 установленной гирляндой), прошедший с сентября 2022 года по сентябрь 2023 года. За это время детектор зарегистрировал свыше 100 миллионов вспышек. Если ограничиться только теми вспышками, которые засветили как минимум сто фотоумножителей и соответствовали четко восстановленной траектории мюона длиной не менее 250 метров, то таких событий накопилось свыше десяти тысяч. Подавляющее большинство из них было порождено атмосферными мюонами, падавшими сверху вертикально или под небольшим углом. Ловить редчайшие космические нейтрино среди них — безнадежное дело.

Была также зарегистрирована одна вспышка, вызванная нейтрино, прилетевшим снизу, из-под Земли. В том, что это было именно нейтрино, сомнений нет — никакие другие частицы не способны пройти Землю насквозь. Это событие засветило примерно 200 фотоумножителей, что должно соответствовать умеренно большой энергии нейтрино; других подробностей коллаборация пока не приводит, обещая предоставить их в будущей статье.

Событие KM3-230213A стоит особняком. Прежде всего, это было самое мощное по засветке событие за весь годичный сеанс наблюдений. За две микросекунды, пока мюон летел сквозь детектор, выделилось так много света, что его уловили свыше трех с половиной тысяч фотоумножителей — треть всех датчиков, работавших в тот момент. Некоторые из сработавших фотоумножителей располагались на расстоянии аж 300 метров от траектории мюона — и это при том, что длина поглощения света в морской воде составляет всего 60 метров!

Когда мюон летит сквозь воду, он теряет энергию, которая в конечном счете преобразуется в свет и попадает в детекторы. Чем больше энергия мюона, тем сильнее энергопотери и тем больше выделится света. Измерив количество сработавших фотоумножителей и сравнив результаты с моделированием, физики смогли оценить энергию мюона — и она показала безумные 120 ПэВ с погрешностью в два раза в обе стороны (то есть от 60 до 230 ПэВ на уровне достоверности 68%, или от 35 до 380 ПэВ на уровне достоверности 90%). И это — только дочерний мюон! Если, опираясь на моделирование, оценить энергию исходного нейтрино, она получится в районе сотен ПэВ, а конкретно, в диапазоне от 110 до 790 ПэВ на уровне достоверности 68%.

...

Вопросы без ответа
Событие KM3-230213A сразу же поставило перед учеными как минимум две загадки. Первая касается происхождения нейтрино с такой энергией. Проследив траекторию мюона, мы можем определить, из какой точки на небе прилетело нейтрино. В статье приводятся координаты на небесной сфере; здесь же достаточно указать, что эта точка находится в неприметном созвездии Единорога, зажатом между Орионом и Большим Псом, примерно на полпути между звездами из пояса Ориона и Сириусом. Ничего выдающегося в нашей Галактике в том направлении, плюс-минус пара градусов, мы не знаем. Да и вообще трудно даже теоретически представить себе космический катаклизм звездных масштабов, способный разогнать частицы до энергий в тысячи ПэВ, чтобы из них потом родилось нейтрино такой энергии. Гипотезу о сверхразвитой внеземной цивилизации, которая таким образом посылает нам сигнал, оставим писателям-фантастам.

Значит, надо выйти за пределы Галактики в далекий космос. Авторы статьи выполнили поиски по каталогам различных внегалактических объектов и нашли несколько десятков галактик на удалении не более 100 мегапарсек, достаточно близких к направлению прихода нейтрино. Однако это вполне спокойные галактики, и никаких аномальных вспышек во временном окне ±6 месяцев от события KM3-230213A в них не было зарегистрировано.

Приходится в поисках подходящих объектов отодвинуться уже на космологические расстояния и прошерстить каталоги квазаров и, в особенности, блазаров — исключительно «буйных» ядер далеких галактик. Несколько объектов действительно нашлось, но из-за большого количества известных квазаров это вполне могло получиться и случайно. На данном этапе никакой достоверной связи рекордного нейтрино с известными источниками установить нельзя. Более того, если какой-то конкретный источник хотя бы раз «выстрелил» нейтрино с энергией в сотни ПэВ, то он, по всем раскладам, должен был бы куда чаще «стрелять» и частицами с энергией поменьше, хотя бы несколько ПэВ, на худой конец — сотни ТэВ. Коллаборация IceCube, работая свыше десяти лет с детектором существенно большего объема, наблюдает за такими нейтрино — и никакого потока, приходящего именно с этого направления, не видит.

Но может быть, этому нейтрино и не требуется источник?! Дело в том, что теоретики уже давно предсказывают, что космические лучи сверх-сверх-сверхвысоких энергий — а как иначе охарактеризовать протоны с энергиями в миллионы(!) ПэВ? — на своем пути в межгалактической среде будут сталкиваться с фотонами и порождать вторичные частицы, в том числе и нейтрино. Поскольку это событие происходит где-то на пустых просторах Вселенной, рожденное нейтрино совершенно не обязано указывать на какой-либо источник. Такие нейтрино называют «космогенными», чтобы отличать их от просто «астрофизических», рожденных в местах космических катаклизмов. Теоретики пытались оценить потоки космогенных нейтрино, но оценки разных групп разнятся в сотни раз. Это как раз та ситуация в астрофизике, когда без наблюдательных данных ничего толком предсказать не удается, но зато первое же достоверное наблюдение такой частицы станет прорывом.

Это рассуждение подводит нас ко второй загадке. Если у таких экстремальных нейтрино нет выделенного источника, значит, их должны наблюдать и другие нейтринные телескопы, прежде всего IceCube. Более того, IceCube должен был бы видеть такие события чаще, ведь его суммарная экспозиция намного выше. Увы, ничего близкого телескоп IceCube не обнаружил. Наконец, Обсерватория Пьера Оже (Pierre Auger Observatory), исполинская установка по регистрации космических лучей, тоже в принципе способна отслеживать нейтрино огромных энергий иными методами. Пару лет назад эта коллаборация отчиталась о поисках нейтрино с энергиями в десятки ПэВ и выше: ничего не было найдено, установлены ограничения сверху на поток таких частиц (рис. 4).

И тут оказывается, что одно-единственное событие, пойманное скромным пока телескопом KM3NeT, вступает в противоречие с титанами этой области исследования, IceCube и Auger. Если взять за основу их ограничение и оценить, как часто KM3NeT в его тогдашней конфигурации должен был бы ловить подобные нейтрино, то получится не чаще, чем раз в 70 лет. А KM3-230213A поймал его менее чем за год!

Как понимать это разногласие — неизвестно.

...

---