Поток нейтрино в антарктиде



Происхождение высокоэнергетических космических нейтрино, наблюдаемых при помощи обсерватории IceCube Neutrino Observatory, детекторы которой расположены в толще антарктических льдов, представляет собой большую загадку для физиков и астрономов. Новая модель может помочь объяснить неожиданно мощный поток таких нейтрино в определенном интервале энергий, зафиксированный недавно совместно с гамма-излучением.

Эта модель, описанная в новой научной работе, указывает на сверхмассивные черные дыры, расположенные в центрах активных галактик, как на возможные источники этих таинственных нейтрино.

«Нейтрино представляют собой субатомные частицы, настолько крохотные, что их масса близка к нулю, и они редко взаимодействуют с другой материей, — рассказал Кота Мурасэ (Kohta Murase), ассистент-профессор физики, астрономии и астрофизики Университета штата Пенсильвания, США, и сотрудник Центра многоканальной астрофизики Института гравитации и космоса, возглавлявший данное исследование. – Высокоэнергетические космические нейтрино формируются в природных «ускорителях частиц», таких как нейтронные звезды и черные дыры. Они сопровождаются высокоэнергетическим гамма-излучением и даже иногда гравитационными волнами».


Однако недавно космическая гамма-обсерватория Fermi («Ферми») зарегистрировала неожиданной интенсивный поток нейтрино, имеющих среднюю для гамма-диапазона энергию (менее 100 тераэлектронвольт), на фоне относительно слабого потока гамма-лучей, соответствующего этому потоку нейтрино. Для объяснения этих наблюдений в своей работе Мурасэ с коллегами предлагает модель, согласно которой эти нейтрино излучаются в короне сверхмассивной черной дыры, представляющей собой зону с высокой излучательной способностью, формирующуюся над аккреционным диском черной дыры. Излучаемое короной гамма-излучение очень высокой энергии поглощается и переизлучается с более низкой энергией окружающим черную дыру материалом, после чего достигает Земли как поток нейтрино с энергией менее 100 ТэВ, в то время как слабо поглощаемые нейтрино свободно проходят сквозь зону поглощения и достигают нашей планеты в составе очень плотного потока, пояснили авторы.

Источник: www.atomic-energy.ru

Многие почему-то думают, что ученые, работающие в Антарктиде, только и делают, что гоняются за пингвинами и документируют повадки морских леопардов. Однако некоторые из них запускают аэростаты и изучают Вселенную. В частности, в рамках эксперимента ANITA, который уже показал нечто такое, что считалось невозможным, и недвусмысленно намекнул на то, что известная физика элементарных частиц — это только верхушка айсберга.


Программа ANITA. Источник фото: NASA

ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna) изучает космические нейтрино сверхвысоких энергий, пользуясь теми возможностями, которые предоставляют ледяные щиты, покрывающие Антарктиду.

Антарктида. Источник фото: NASA

Небольшая справка: нейтрино — это сверхлегкие, не имеющие заряда частицы, которые практически никогда не взаимодействуют с другой материей. Благодаря этим свойствам они прошивают планету Земля, и как ни в чём ни бывало летят дальше. Это, в частности, верно для низкоэнергичных нейтрино, образующихся в результате атомного распада внутри Солнца.


Специальная антенна. Источник фото: Eric Oberla, University of Chicago

Однако существует и другая разновидность, которая обладает предельно высокой энергией. У неё более широкое «поперечное сечение», из-за чего вероятность столкновения с другими частицами значительно возрастает. Эти нейтрино генерируются при мощных коллизиях, например, космических лучей и фотонов. После этого они могут пролететь сквозь всю Вселенную и оказаться на Земле.

Поток нейтрино. Источник фото: NASA

Врезаясь во что-то, они провоцируют небольшую цепную реакцию, которая, по описанию учёных, слышится как радиочастотный «щелчок».

Этот феномен носит название «эффект Аскарьяна» и проявляется в виде очень слабых сигналов. Чтобы засечь их, необходима географическая локация, где количество фоновых радиошумов сведено к минимуму. Также требуется «прозрачная среда» для радиоволн — чтобы после взаимодействия высокоэнергичных частиц «эффекту Аскарьяна» было внутри чего проявить себя. Лёд в этом качестве работает идеально. Именно поэтому эксперимент ANITA проводится в Антарктиде.

Аэростат ANITA, Foto: NASA

Аэростат НАСА, способный длительное время оставаться в воздухе, поднимал над континентом специальную антенну. Всего в период с 2006 по 2016 год было совершено четыре «вылета» продолжительностью от трех до пяти недель. Оборудование сверху улавливало радиосигналы, отраженные льдом. То есть Антарктида была превращена в один огромный научный инструмент. Размаху этого замысла мог бы позавидовать даже суперзлодей из популярных ныне комиксов. Этот амбициозный подход полностью себя оправдал.

Обнаружение нейтрино. Источник: NASA

Было обнаружено нечто такое, что пока не поддаётся объяснению посредством физики элементарных частиц в её нынешнем состоянии.

Пару раз антенна уловила сигналы, идущие снизу и перпендикулярно. Это означало, что они прошли сквозь всю планету, а не банально отразились ото льда. Так как нейтрино предельно высоких энергий взаимодействуют со средой гораздо чаще низкоэнергичных собратьев, они не должны пробивать насквозь столь крупные космические объекты, как Земля. Чтобы проверить, не было ли здесь ошибки, учёные просмотрели данные, полученные ещё одним детектором нейтрино, работающим в Антарктиде.


Обнаружение нейтрино детектором нейтрино IceCube. Источник: NASA

Он называется «IceCube» и пытается засечь упомянутые частицы с помощью оптических фотоумножителей, погруженных в лёд на глубину от 1450 до 2450 метров.

Оказалось, что эта станция зафиксировала три нейтрино, которые по всем признакам не должны были пройти сквозь всю планету.

Это количество кажется незначительным, однако чисто с математической точки зрения оно гораздо больше того, что предсказывают имеющиеся теории. Это, если так можно выразиться, статистический нонсенс, что обещает некоторые перемены в физике элементарных частиц.


Поток нейтрино. Источник NASA

Этот феномен пока может быть объяснён только тем, что где-то в космосе находится одиночный объект, который чуть ли не специально бомбардирует нас — это так называемая «гипотеза точечного источника».

Она в высшей степени сомнительна, а это значит, что стандартная модель неверна или неполна как минимум частично. Понятно, что учёное сообщество пока не готово отказаться от этого столпа нашего миропонимания.

Исследования нейтрино. Источник фото: NASA

Требуются дальнейшие исследования, которые, вероятнее всего, возьмёт на себя преемница «Аниты», программа PUEO (Payload for Ultrahigh Energy Observations).


Посмотрим, что удастся выяснить ей. Это очень интересно.

Статья уникальна на 100%.

Источник: zen.yandex.ru

Наше современное понимание физики не может помочь с объяснением странных частиц, которые в третий раз за историю наблюдений были зафиксированы Антарктической импульсной переходной антенной (ANITA) на высоте в 37 км над поверхностью ледяного континента. Этот прибор поднят над землей на гелиевом шаре специалистами NASA и регистрирует энергетические вспышки нейтрино.

При слиянии протонов на Солнце рождаются нейтрино. Землю и всех ее обитателей регулярно пронизывают миллиарды нейтрино от нашей звезды. Но они практически не взаимодействуют с веществом. Ученые строят огромные детекторы (один из них — IceCube под толщей льдов Антарктиды), лишь бы зафиксировать те редкие моменты, когда нейтрино сталкивается с атомом и вызывает ядерную реакцию — свечение.

ANITA периодически регистрирует высокоэнергетические нейтрино. Иногда они ведут себя не так, как ожидается согласно Стандартной модели — теоретическому описанию современной физики элементарных частиц. Они не должны проходить сквозь Землю, но сигналы регистрируются такие, словно нейтрино вылетают из толщи Антарктиды. То есть словно они прорезают Землю насквозь, приходя из космоса и улетая в него так, будто мы пустое место.


Хотя при таких энергиях нейтрино должны быть похожи на слона в посудной лавке. У них просто нет шанса пройти через тысячи километров земных недр. Вероятность их столкновения с другими частицами куда выше. А потому шансы на то, что такой нейтрино пройдет насквозь через Землю, столь мал, что даже не берется в расчет. Именно поэтому зарегистрированные антенной частицы сродни выигрышу в лотерею. Дважды подряд.

Разговоры об этом феномене, выбивающемся из понятной нам физики, зашли с новой силой после того, как группа исследователей, работающих в Антарктиде, опубликовала научную статью. В ней физики ставят под сомнение одно из последних объяснений, которое укладывалось в Стандартную модель. Мол, где-то в космосе находятся космические ускорители, гигантские нейтринные пушки, которые периодически стреляют в Землю своими зарядами.

Речь, конечно, идет не о рукотворных пушках, а о неких космических явлениях (блазарах, активных ядрах галактик, слияния галактик и т. д.). Но физикам не удалось найти никаких доказательств существования подобных пушек в направлении источника происхождения частиц. К тому же столь мощный выброс нейтрино должен был сопровождаться потоком чуть меньшей энергии. Но никаких событий, соответствующих углу находки, зафиксировано не было. И для загадочных частиц, которые регистрирует ANITA, необходимо другое объяснение в рамках новой физики.


Библиотека Onliner: лучшие материалы и циклы статей

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Быстрая связь с редакцией: читайте паблик-чат Onliner и пишите нам в Viber!

Источник: tech.onliner.by

Новая исследовательская работа дает новое объяснение недавним странным событиям, произошедшим в Антарктиде – высокоэнергетические нейтрино, казалось бы, сами по себе выходят из земли и устремляются в небо.

Аномалии произошли в 2016 и 2018 годах и были обнаружены учеными, которые искали космические лучи сверхвысокой энергии и нейтрино, приходящие из космоса, все они отслеживались массивом радиоантенн, прикрепленных к воздушному шару, плавающему примерно на высоте 35 километров над Южным полюсом.

Нейтрино – это чрезвычайно малые частицы, созданные различными способами, включая взрывающиеся звезды и гамма-всплески. Они находятся повсюду во Вселенной и достаточно малы, чтобы без помех пройти почти через любой объект, какой бы большой он не был.

Нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом, и поэтому имеют колоссальную длину пробега в самых разных веществах: так, нейтрино с энергией порядка 3—10 МэВ имеют в воде длину свободного пробега порядка 1018 м (около ста световых лет), а практически все типы звёзд прозрачны для нейтрино. Каждую секунду через площадку на Земле площадью в 1 см² проходит около 6⋅1010 нейтрино, испущенных Солнцем, однако их влияние на вещество практически никак не ощущается.

Загадочные события были обнаружены учеными в ходе эксперимента ANITA – это сокращение от антарктической импульсной переходной антенны, начатого в 2006 году на Южном полюсе.

Дважды ученые ANITA обнаруживали радиосигналы, имитирующие высокоэнергетические нейтрино, которые, казалось бы, сами по себе поднимаются вверх из-под земли.

Ученые по-прежнему озадачены этой активностью, и до сих пор около 40 работ дают совершенно разные ответы – импульсы представляют собой нейтрино, которые беспрепятственно прошли через все ядро Земли и вышли из земли; импульсы – это давно искомое “четвертое” нейтрино, известное как стерильное нейтрино; во всем виновата таинственная “темная материя” космоса; или это совершенно неизвестный рубеж физики частиц и / или астрофизики, который принесет Нобелевскую премию.

У Яна Шумейкера, из Вирджинского технологического научного колледжа, есть другое, более простое объяснение. В недавней статье, опубликованной в журнале Annals of Glaciology, Шумейкер и несколько его коллег утверждают, что аномалии происходят не от нейтрино, а просто от незамкнутых отражений космических лучей сверхвысокой энергии, которые приходят из космоса – их пропускают верхний слой льда, а затем отражаются от глубокого уплотненного снега, известного как фирн.

-Мы думаем, что виной всему подземный фирн, – говорит Ян Шумейкер, добавив, что “фирн -это нечто среднее между снегом и льдом. Это уплотненный снег, который недостаточно плотен, чтобы быть льдом. Таким образом, вы можете иметь инверсии плотности, с диапазонами, где вы переходите от высокой плотности обратно к низкой плотности, и те важные виды интерфейсов, где это отражение может произойти и может объяснить эти события.”

Субледниковые озера были еще одним соображением исследователей для размышлений. Однако эти озера, находящиеся глубоко под землей, согласно современным исследованиям, расположены слишком далеко друг от друга и поэтому не являются наиболее вероятным объяснением.

Поток нейтрино в антарктиде
Карта (слева) и увеличение масштаба (справа) Антарктиды, отображающие два аномальных события, направленных вверх – представленные красными точками, наблюдаемых в эксперименте ANITA, наложенные на скорость поверхностного льда (представленную фиолетовым/синим) и 500-метровые контуры рельефа поверхности. Верхняя красная точка представляет аномалию, зарегистрированную в 2018 году, а нижняя – аномалию, зарегистрированную в 2016 году.  

Но если там окажется гораздо больше озер, чем было известно ранее, то это открытие станет большой победой для ученых, изучающих ландшафт и внутренние районы Антарктиды. Ученые предлагают целенаправленно изучать радиосигналы в тех местах, где происходили аномалии.

“Я ничего о них не знал, но они действительно существуют”, – говорит Ян Шумейкер о субледниковых озерах в Антарктиде.

“В Антарктиде есть озера подо льдом, и они обладают правильными отражающими свойствами, но они недостаточно широко распространены. Наша идея заключается в том, что часть радиоимпульса от космического луча может проникнуть глубоко в лед перед отражением, поэтому вы можете иметь отражение без фазового сдвига. Если не перевернуть волну, то она действительно выглядит как нейтрино.”

Исследователи говорят, что когда космические лучи, или нейтрино, проходят через лед с очень высокими энергиями, они рассеиваются на материалах внутри льда, на протонах и электронах, и они могут создать хороший сигнал, который ученые могут видеть.

Проблема в том, что эти сигналы имеют радиоимпульсную характеристику нейтрино, но, по-видимому, они распространяются значительно больше, чем это возможно с учетом известной физики. Обычные нейтрино этого не делают. Но космические лучи при этих энергиях являются обычным явлением, что было замечено многими экспериментами.

Источник: ab-news.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.