Цифровой журнал «Компьютерра» № 203

Но, к сожалению, продолжением достоинств нейтрино являются их недостатки. Лёгкость, с которой нейтрино покидают Солнце, соответствует лёгкости, с которой они проходят через детекторы. Поэтому наблюдения нейтрино — задача непростая и недешёвая. Хотя нейтринная астрономия ведёт свою историю с 1960-х годов, вплоть до недавнего времени у неё был практически единственный объект для исследований — Солнце. Этого, правда, хватило, чтобы на длительный срок обеспокоить научное сообщество проблемой солнечных нейтрино, но всё-таки одного объекта для целой отрасли астрономии как-то маловато.

И вот теперь ситуация меняется: начались регулярные наблюдения нейтрино, рождающихся не просто вне Солнечной системы, но, возможно, вне нашей Галактики. Справедливости ради стоит отметить, что один раз, в 1987 году, внегалактические нейтрино уже наблюдались. Их источником была вспышка сверхновой 1987A в Большом Магеллановом Облаке, но то было эксклюзивное событие, впрочем, ставшее важным этапом на пути постижения как физики вспышки, так и свойств нейтрино.

Для первых регулярных наблюдений потребовался суперинструмент — нейтринный детектор объёмом в кубокилометр IceCube, установленный (точнее, закопанный) близ Южного полюса. Принцип его действия заключается в фиксации черенковского излучения, генерируемого при пролёте частиц высоких энергий через рабочее тело детектора, в качестве которого используется антарктический лёд. Устроен детектор очень просто: в толщу льда погружено 86 нитей, на каждой из которых с интервалом в 17 м нанизано по 60 фотоумножителей, самый верхний — на глубине 1 450 м, самый нижний — на глубине 2 450 м. Нити расположены в вершинах равносторонних треугольников на расстоянии 125 м друг от друга.

События, фиксируемые детектором, бывают двух видов. Мюонное нейтрино, взаимодействуя с молекулами воды, порождает мюон, который летит сквозь лёд примерно по той же траектории, что и породившее его нейтрино (событие типа «трек»). По возникающему при этом черенковскому излучению можно с высокой точностью (около половины градуса) восстановить направление прилёта нейтрино. Энергия восстанавливается хуже, потому что мюон может родиться вне детектора или, наоборот, вылететь за его пределы, растеряв часть энергии там, где его «не видят» фотоумножители. Частицы, рождающиеся при взаимодействии со льдом электронных и тау-нейтрино, разлетаются в стороны, образуя событие типа «ливень». Они способны пролететь сквозь лёд на значительно меньшее расстояние, чем мюоны, поэтому почти вся энергия родительского нейтрино остаётся и измеряется внутри детектора. За большую точность измерения энергии приходится платить погрешностями в координатах источника порядка 10–15°.

Телескоп IceCube ориентирован на поиск нейтрино высоких энергий, начиная от десятков гигаэлектронвольт. Такие нейтрино могут иметь как земное, так и внеземное происхождение. В первом случае они генерируются при взаимодействии космических лучей с земной атмосферой, во втором… Собственно говоря, IceCube отчасти и нужен, чтобы разгадать их происхождение во втором случае. Проблема состоит в том, что IceCube непосредственно регистрирует не мюоны и не нейтрино, а свет. И у него, как у любого телескопа, есть паразитная засветка. Основной вклад в сигнал дают атмосферные мюоны, рождающиеся при проникновении частиц космических лучей в воздушную оболочку Земли. Их IceCube регистрирует примерно 10¹¹ штук в год, но они относительно легко отфильтровываются, поскольку летят преимущественно сверху. Далее по численности идут атмосферные нейтрино, также рождающиеся при взаимодействии космических лучей и атмосферы и регистрируемые примерно каждые шесть минут. Их отфильтровать уже сложнее, так как они летят со всех сторон и, вообще говоря, не отличаются от астрофизических нейтрино.

Однако количество атмосферных нейтрино сильно падает с увеличением энергии: частиц с энергией больше 100 ТэВ среди них почти нет. Поэтому, если детектор фиксирует нейтрино большей энергии, это, скорее всего, частица внеземного происхождения. Не удивительно, что первая пара найденных астрофизических нейтрино имела энергии значительно выше этого предела, а именно порядка 1 ПэВ. Более тщательный анализ собранных за два года данных позволил выделить ещё 26 подозрительных событий, то есть вспышек света, выдающих проникновение в детектор нейтрино с энергиями от 30 ТэВ и выше. Статистические оценки показывают, что из этих 28 частиц к атмосферным нейтрино могут относиться около 10, так что большая их часть родилась вне Земли.