Новое объяснение нейтринным аномалиям в Антарктике

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.

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.

Ian M. Shoemaker et al, Reflections on the anomalous ANITA events: the Antarctic subsurface as a possible explanation, Annals of Glaciology (2020). DOI: 10.1017/aog.2020.19