Нейтрино плевать на звезды, галактики и лично на вас. Но на рубеже 30 ТэВ физики зафиксировали глухой системный сбой
NewsMakerКоллаборация IceCube отвергла старую схему с одной степенной зависимостью и нашла заметный перелом около 30 ТэВ.
Нейтрино летят через Вселенную почти без помех, проходят сквозь звезды, галактики и лед Антарктиды, а потом внезапно выдают физикам подсказку: самые энергичные процессы в космосе устроены сложнее, чем казалось. Новая работа коллаборации IceCube в журнале Physical Review Letters показала , что поток астрофизических нейтрино не описывается простой прямой зависимостью. В спектре появился заметный перелом около 30 ТэВ, примерно на уровне энергий, с которыми работают крупнейшие ускорители частиц.
Астрофизические нейтрино рождаются там, где космические лучи огромной энергии сталкиваются с веществом или излучением. Источниками могут быть активные ядра галактик, гамма-всплески и остатки сверхновых. Почти полное безразличие нейтрино к обычной материи делает частицы удобными космическими посланниками: нейтрино летят почти по прямой и сохраняют сведения о среде, где появились.
IceCube изучил данные более чем за десять лет и проверил, как меняется общий поток таких частиц у Земли. Раньше спектр часто описывали одной степенной зависимостью: чем выше энергия, тем меньше нейтрино, а спад идет плавно. Новые данные плохо согласуются с такой простой картиной. Модель с одним наклоном исследователи отвергли со статистической значимостью выше 4σ, то есть вероятность случайного совпадения меньше примерно одного случая на 16 тысяч.
Обсерватория IceCube работает в антарктическом льду у Южного полюса. В кубическом километре прозрачного льда размещены 5160 оптических датчиков. Когда нейтрино редко, но всё же сталкивается с ядром атома, рождается поток заряженных частиц. Такой поток дает слабое голубое черенковское свечение, а датчики IceCube улавливают световой след. Детектор закопан примерно на глубине 1,5 километра, чтобы лед и толща над ним отсекали часть шума от атмосферных частиц.
Команда проверяла форму спектра двумя независимыми способами. Первый анализ объединил данные о трековых событиях, которые оставляют мюонные нейтрино, и каскадных событиях, похожих на компактные вспышки. Второй анализ, Medium Energy Starting Events, брал события, начавшиеся внутри самого детектора, и поэтому давал более чистую выборку по всем трем типам нейтрино: электронным, мюонным и тау-нейтрино.
Оба подхода привели к одной картине. Лучше всего данные описала модель с переломом: ниже примерно 30 ТэВ поток падает медленнее, выше этой энергии спад становится круче. В анализе MESE низкоэнергетический индекс составил 1,72, а высокоэнергетический 2,84. В объединенном анализе получились 1,31 и 2,74. Разные выборки и разные методы рассказали одну и ту же историю: в спектре есть структура, которую прежняя простая модель сглаживала.
Такой перелом может говорить о смене доминирующих источников нейтрино или о других условиях ускорения космических лучей. Физики также не исключают, что диффузный нейтринный фон когда-нибудь поможет искать более экзотические процессы, включая частицы, связанные с темной материей. Пока авторы осторожны: работа показывает форму спектра, но не называет конкретный источник перелома.
Новая оценка снимает часть старого противоречия между нейтринными данными IceCube и внегалактическим гамма-фоном. Если прежнюю степенную зависимость продолжать вниз к диапазону 1–10 ТэВ, модель предсказывала слишком много нейтрино по сравнению с наблюдаемым гамма-излучением. Спектр с переломом дает меньше частиц на низких энергиях и лучше вписывается в общую картину многоканальной астрономии, где ученые сравнивают нейтрино, гамма-лучи и другие космические сигналы.
Нейтрино летят через Вселенную почти без помех, проходят сквозь звезды, галактики и лед Антарктиды, а потом внезапно выдают физикам подсказку: самые энергичные процессы в космосе устроены сложнее, чем казалось. Новая работа коллаборации IceCube в журнале Physical Review Letters показала , что поток астрофизических нейтрино не описывается простой прямой зависимостью. В спектре появился заметный перелом около 30 ТэВ, примерно на уровне энергий, с которыми работают крупнейшие ускорители частиц.
Астрофизические нейтрино рождаются там, где космические лучи огромной энергии сталкиваются с веществом или излучением. Источниками могут быть активные ядра галактик, гамма-всплески и остатки сверхновых. Почти полное безразличие нейтрино к обычной материи делает частицы удобными космическими посланниками: нейтрино летят почти по прямой и сохраняют сведения о среде, где появились.
IceCube изучил данные более чем за десять лет и проверил, как меняется общий поток таких частиц у Земли. Раньше спектр часто описывали одной степенной зависимостью: чем выше энергия, тем меньше нейтрино, а спад идет плавно. Новые данные плохо согласуются с такой простой картиной. Модель с одним наклоном исследователи отвергли со статистической значимостью выше 4σ, то есть вероятность случайного совпадения меньше примерно одного случая на 16 тысяч.
Обсерватория IceCube работает в антарктическом льду у Южного полюса. В кубическом километре прозрачного льда размещены 5160 оптических датчиков. Когда нейтрино редко, но всё же сталкивается с ядром атома, рождается поток заряженных частиц. Такой поток дает слабое голубое черенковское свечение, а датчики IceCube улавливают световой след. Детектор закопан примерно на глубине 1,5 километра, чтобы лед и толща над ним отсекали часть шума от атмосферных частиц.
Команда проверяла форму спектра двумя независимыми способами. Первый анализ объединил данные о трековых событиях, которые оставляют мюонные нейтрино, и каскадных событиях, похожих на компактные вспышки. Второй анализ, Medium Energy Starting Events, брал события, начавшиеся внутри самого детектора, и поэтому давал более чистую выборку по всем трем типам нейтрино: электронным, мюонным и тау-нейтрино.
Оба подхода привели к одной картине. Лучше всего данные описала модель с переломом: ниже примерно 30 ТэВ поток падает медленнее, выше этой энергии спад становится круче. В анализе MESE низкоэнергетический индекс составил 1,72, а высокоэнергетический 2,84. В объединенном анализе получились 1,31 и 2,74. Разные выборки и разные методы рассказали одну и ту же историю: в спектре есть структура, которую прежняя простая модель сглаживала.
Такой перелом может говорить о смене доминирующих источников нейтрино или о других условиях ускорения космических лучей. Физики также не исключают, что диффузный нейтринный фон когда-нибудь поможет искать более экзотические процессы, включая частицы, связанные с темной материей. Пока авторы осторожны: работа показывает форму спектра, но не называет конкретный источник перелома.
Новая оценка снимает часть старого противоречия между нейтринными данными IceCube и внегалактическим гамма-фоном. Если прежнюю степенную зависимость продолжать вниз к диапазону 1–10 ТэВ, модель предсказывала слишком много нейтрино по сравнению с наблюдаемым гамма-излучением. Спектр с переломом дает меньше частиц на низких энергиях и лучше вписывается в общую картину многоканальной астрономии, где ученые сравнивают нейтрино, гамма-лучи и другие космические сигналы.