Физики из России и США нашли в Антарктиде следы "нового типа" нейтрино

Уникальные "воздушные шары", летающие над Антарктикой, помогли российским и зарубежным ученым найти потенциальные следы так называемых "стерильных" нейтрино. Их выводы были представлены в статье, принятой к публикации в журнале Physical Review Letters.

"Некоторые теоретики предполагают, что подобные необычные черты сигнала можно объяснить тем, что он был порожден стерильными нейтрино - абсолютно нейтральными частицами, выходящими за пределы Стандартной модели физики. Пока об этом сказать сложно, так как у нас есть всего два события такого рода, но мы постараемся найти и другие сигналы", - заявил Пол Горхэм (Paul Gorham) из университета Гавайских островов в Маноа (США).

Континент-телескоп

Раз в несколько лет ученые из университета Гавайев, НАСА, НИЯУ МИФИ и многих других научных центров мира отправляются в необычные экспедиции на станцию Мак-Мердо у южного полюса Земли. Они запускают в холодный полярный воздух аэростаты, начиненные особыми радиоприемниками, и отдают их на волю ветров на последующие несколько недель.

Эти "воздушные шары", проект ANITA, помогают ученым искать так называемые нейтрино сверхвысоких энергий. Они представляют собой следы самых мощных взрывов и катаклизмов Вселенной, происходящих в центрах галактик, окрестностях сверхмассивных черных дыр и других уголках мироздания. Об их природе астрономы продолжают спорить и по сей день.

Очень низкая вероятность регистрации этих частиц заставила физиков превратить всю Антарктику в гигантский детектор подобных нейтрино, пользуясь эффектом, который был предсказан в 1962 году советским физиком Гургеном Аскарьяном. Он заметил, что подобные частицы будут двигаться быстрее скорости света при попадании в лед, в результате чего они будут "тормозить", вырабатывая пучки радиоволн по мере движения через толщу ледника.

Как рассказывает Горхэм, первые две подобных экспедиции завершились относительной неудачей - ученым не удалось зафиксировать следов нейтрино сверхвысоких энергий, хотя они и "поймали" несколько десятков других космических лучей.

Третий полет шаров ANITA состоялся в декабре-январе 2015 года. На этот раз, как показал анализ собранных ими данных, им удалось зафиксировать одно крайне странное событие, которое очень сложно объяснить в рамках общепринятых представлений о поведении нейтрино сверхвысоких энергий.

Космическая загадка

Дело в том, что радиосигнал, возникший в результате "торможения" нейтрино внутри толщи льда Антарктики, указывал на то, что породившая его частица двигалась не со стороны космоса и открытого неба, а из недр Земли.

Иными словами, данные говорили о том, что нейтрино прошло через всю толщу Земли, проникло внутрь льда и породило рой заряженных частиц. В этом, как объясняет Горхэм, нет ничего необычного - подобным образом через Землю каждую секунду проходит бесчисленное множество нейтрино.

С другой стороны, радиоволны, порожденные этой частицей, обладали крайне необычной поляризацией. По словам физиков, они были больше похожи на пучки электромагнитного излучения, порожденные космическими лучами в атмосфере Земли, чем на следы "подземных" нейтрино.

Пытаясь понять, что могло породить подобные сигналы, ученые еще раз проанализировали данные, собранные в ходе первых двух экспедиций. Оказалось, что во время первого полета детекторы ANITA зафиксировали еще один похожий сигнал, что заставило ученых серьезно отнестись к этой "аномалии".

Призрак "новой физики"

Сравнивая их свойства, Горхэм и его коллеги пришли к выводу, что их породили не "атмосферные" космические лучи, а "подземные" таоны - сверхтяжелые "кузены" электронов, возникшие в толще льда в результате торможения тау-нейтрино.

Подобная идея, в свою очередь, поставила перед учеными новую загадку. Тау-нейтрино просто не должны порождать достаточно большие пучки таонов, движущиеся под тем углом, на который указывали аномальные пучки радиоволн, пойманные ANITA в 2007 и 2015 годах.

Это, соответственно, говорит о двух возможных нарушениях Стандартной модели. С одной стороны, тау-нейтрино высоких энергий могут вести себя не так, как предсказывают ее постулаты, слабее взаимодействия с материей, чем на то указывает теория. В таком случае эти частицы могли породить вспышки сверхновых или гамма-всплески.

С другой стороны, их прародителем может выступать не космический катаклизм, следы которого найти пока не удалось, а "стерильные" нейтрино, еще не открытый четвертый тип этих элементарных частиц. Они должны обладать чрезвычайно большой массой по сравнению с "обычными" нейтрино и не взаимодействовать другой материей никаким образом, кроме как при помощи сил притяжения.

Их существование можно обосновать, минимально поменяв архитектуру Стандартной модели, и их поисками сегодня занимаются десятки детекторов и сотни научных групп. Дальнейшие наблюдения и открытия новых аномальных сигналов на ANITA, как надеется Горхэм, помогут понять, так ли это или нет.