Обнаружение высокоэнергетических антинейтрино поддерживает теорию 60-летней давности

6 декабря 2016 года высокоэнергетическая частица, называемая электронным антинейтрино, устремилась к Земле из космоса со скоростью, близкой к скорости света, неся 6,3 петаэлектронвольта (ПэВ) энергии.

Глубоко внутри ледяного покрова на Южном полюсе она врезалась в электрон и произвела частицу, называемую W — бозоном, которая быстро распалась на каскад высокоэнергетических частиц. Взаимодействие было зафиксировано нейтринной обсерваторией IceCube, который обнаруживает нейтрино с помощью тысяч датчиков, встроенных в антарктический лед.

Это первое наблюдение «резонансного события Глэшоу», феномена, впервые предложенного нобелевским лауреатом физиком Шелдоном Глэшоу в 1960 году, и предполагает наличие электронных антинейтрино в астрофизическом потоке, а также обеспечивает дальнейшее подтверждение Стандартной модели физики элементарных частиц.

Шелдон Глэшоу, в то время исследователь в сегодняшнем Институте Нильса Бора, предсказал, что антинейтрино может взаимодействовать с электроном, чтобы произвести тогда еще не открытую частицу посредством процесса, известного как резонансное производство.

Когда предложенная частица, W– бозон, наконец была обнаружена в 1983 году, она оказалась намного тяжелее, чем ожидали Глэшоу и его коллеги в 1960 году.

Поэтому для получения W– бозона через резонанс Глэшоу потребовалось бы нейтрино с энергией 6,3 петаэлектронвольта (ПэВ), что почти в 1000 раз больше энергии, чем способен произвести Большой адронный коллайдер.

Такое явление, вероятно, было ответственно за антинейтрино 6,3 ПэВ, которое достигло IceCube в 2016 году с энергией, достаточно большой, чтобы взаимодействовать через предсказанный резонанс Глэшоу.

“Когда Глэшоу был постдоком в Университете Нильса Бора, он никогда не мог себе представить, что его нетрадиционное предложение о создании W– бозона будет реализовано антинейтрино из далекой галактики, врезавшейся в антарктический лед”, — сказал главный исследователь IceCube профессор Фрэнсис Халзен из Университета Висконсин-Мэдисон.

Но резонансное событие Глэшоу особенно примечательно из-за его удивительно высокой энергии; это только третье событие, обнаруженное IceCube с энергией более 5 ПэВ.

“Наблюдение этого события демонстрирует, что Стандартная модель физики элементарных частиц, которая описывает фундаментальные силы во Вселенной, сохраняется даже при чрезвычайно высоких энергиях, а также демонстрирует уникальные возможности IceCube в изучении фундаментальной физики элементарных частиц”, — сказал профессор Дуг Коуэн, исследователь из Университета штата Пенсильвания и член коллаборации IceCube.

“Теперь мы можем обнаружить отдельные нейтринные события, которые безошибочно имеют внеземное происхождение.”

Результат также открывает новую главу нейтринной астрономии, потому что она начинает отделять нейтрино от антинейтрино, которые до сих пор были неразличимы.

Это первое прямое измерение антинейтринной составляющей астрофизического потока нейтрино. Однако остается несколько вопросов относительно астрономического источника антинейтрино, обнаруженного в 2016 году.

“Существует ряд свойств астрофизических источников нейтрино, которые мы не можем измерить, например, физический размер ускорителя и напряженность магнитного поля в области ускорения”, — говорят ученые. “Если мы сможем определить отношение нейтрино к антинейтрино, мы сможем непосредственно исследовать эти свойства.”

Результаты были опубликованы в номере журнала Nature от 11 марта 2021 года.