Поиск нейтрино в Антарктиде: загадки Вселенной

Глубоко в антарктических льдах, в царстве вечной мерзлоты и безмолвия, на мгновение вспыхивает таинственный голубой свет. Для непосвященного это лишь мимолетная вспышка, но для ученых это может быть долгожданная весточка из самых отдаленных уголков Вселенной. Этот мистический проблеск — след частицы-призрака, нейтрино, пролетевшей сквозь пространство и время, чтобы рассказать свою историю. Охота за этими историями ведется на Южном полюсе с помощью гигантского детектора IceCube, и она постепенно приоткрывает завесу над одной из величайших загадок астрофизики — происхождением космических лучей.

Детектор IceCube, погруженный в лед на глубину до 2,5 километров, является уникальной обсерваторией, предназначенной для поимки нейтрино. Эти неуловимые частицы почти не взаимодействуют с веществом, что позволяет им беспрепятственно путешествовать по Вселенной по прямой траектории, прямо от своего источника. Однако их «призрачная» природа является и главной сложностью: зафиксировать нейтрино можно только в момент редкого взаимодействия, когда оно порождает в толще льда вторичную частицу — мюон, оставляющий за собой то самое слабое голубое свечение.

Основная задача ученых, среди которых команда профессора Анны Франковяк из Рурского университета в Бохуме, — отфильтровать эти редкие космические нейтрино от тысяч фоновых сигналов, рождающихся в атмосфере Земли. Для этого они разработали сложные алгоритмы, которые всего за 30 секунд анализируют вспышку света, вычисляя энергию частицы, направление ее прилета и вероятность ее внегалактического происхождения.

Эта информация в режиме реального времени рассылается обсерваториям по всему миру, чтобы телескопы могли немедленно навестись на указанный участок неба и найти источник, который мог породить нейтрино, — например, вспыхнувшую сверхновую или активную черную дыру.

Для еще более точного определения траектории используется второй, более медленный метод, который уточняет координаты с беспрецедентной точностью. Чтобы заявить об открытии источника, астрофизики придерживаются невероятно строгого критерия достоверности — 5 сигм (вероятность случайного совпадения 1 к 1,7 миллиону).

Пока ни один источник не достиг этого порога, но IceCube уже несколько раз был близок. В 2017 и 2022 годах были обнаружены нейтрино, вероятно, пришедшие от блазаров и активных ядер галактик. В 2023 году был зафиксирован сигнал от галактики NGC 1068 с достоверностью в 4,2 сигм — очень близко к цели.

В фокусе исследований — различные космические катаклизмы: сверхновые, приливные разрушения звезд черными дырами и активные галактические ядра. Команда ученых также с нетерпением ждет сверхновую в нашем Млечном Пути, событие, которое может произойти раз в столетие, но которое осветит детектор IceCube одновременным всплеском многочисленных нейтрино и станет настоящей сенсацией.

Работа ведется в тесной связке с теоретиками, которые моделируют процессы внутри потенциальных источников, и специалистами по машинному обучению. Совместными усилиями они не только учатся лучше фильтровать сигналы, но и сталкиваются с новыми загадками, например, почему некоторые объекты испускают меньше нейтрино, чем предсказывает теория.

Недавно с помощью искусственного интеллекта им даже удалось впервые увидеть нейтринный сигнал от самого Млечного Пути. Эта кропотливая работа — непрерывная охота за призраками, где каждая вспышка света в антарктическом льду может стать ключом к разгадке тайн мироздания.