IceCube: гигантский замороженный детектор нейтрино

Подумайте, как было бы неудобно, если бы фотоны проходили прямо насквозь наши фотонные детекторы (те штуки на лице, которые мы зовём «глазами») безо всякого следа! Конечно, из-за этого у нас есть глаза для обнаружения фотонов, но нет глаз для обнаружения нейтрино – такие глаза были бы ни к чему.

Но хотя часть нейтрино, умудряющихся во что-то врезаться при проходе через материю, очень мала, она не равна нулю, поэтому в принципе мы можем их обнаружить. Но получается, что у нас нет другого выхода, кроме как:

• заполучить большой кусок материала, останавливающий нейтрино;
• расположить вокруг и внутри него научные инструменты;
• ждать.

Учёным приходится играть роль терпеливого паука с очень большой паутиной, или молчаливого рыбака с огромной сетью, и ожидать, когда редкий нейтрино, который летит, не разбирая дороги, вдруг окажется в ловушке.

И тут вступает в дело IceCube.

IceCube: миллиард тонн льда

IceCube – это научная фантастика, ставшая реальностью. Это гигантский кубик льда – чистого, свободного от пузырьков и почти идеально прозрачного. На нашей планете такие гигантские объёмы идеального льда можно найти только на равнинах близких к южному полюсу, глубоко под поверхностью. И в этот лёд учёные вгрызались на два с половиной километра, не используя ничего более хитрого, чем горячая вода. Как показано на рис. 1, в каждом отверстии (шириной полметра) учёные расположили длинную струну, нижний километр которой усеян шестьюдесятью равномерно расположенными фотоэлементами, способными регистрировать самые малые вспышки света. Внизу, на глубине в тысячу метров во льду, очень темно. Свет с поверхности земли не проникает на такую глубину. Так что всё, что может обнаружить фотоэлемент в кромешной темноте, должно быть чем-то особенным.

Рис. 1

Какой же источник света может оказаться внутри безжизненной глыбы чистого льда? Единственный источник – физика частиц. Когда элементарная частица, переносящая много энергии, проникает в IceCube и ударяет ядро атома во льду, она создаёт каскад частиц, перемещающихся почти со скоростью света с – медленнее, чем свет в вакууме, но быстрее, чем свет во льду. Электрически заряженные частицы, перемещающиеся быстрее скорости света в материале, излучают неяркий конус света, излучение Черенкова (суть здесь практически та же, что и у испускающего громкий хлопок сверхзвукового самолёта). Хоть этот свет и тусклый, он может пройти много метров льда, и его можно обнаружить при помощи фотоэлементов. И то, как этот свет распространялся, может рассказать учёным:

• сколько примерно энергии было отдано льду, учитывая примерную оценку переносимой частицей энергии;
• откуда примерно прилетела частица;
• информацию о типе частицы, столкнувшейся с ядром и о типе столкновения.

Это показано на рис. 2, где два нейтрино прилетают с небо, один из которых порождает каскад частиц, в котором не образуется мюон высокой энергии, а другой порождает каскад, в котором образуется мюон высокой энергии. Последнее может произойти, когда летящий нейтрино – это мюонный нейтрино, который слабое взаимодействие во время столкновения может превратить в мюон. То же показано на рис. 3 для нейтрино, прилетающих с другой стороны Земли, которые, с точки зрения IceCube, вылетают из земли.

Рис. 2

Единственный тип частиц, способных пройти сквозь километр льда или даже большую часть Земли, это нейтрино и мюоны. Поэтому для обнаружения нейтрино IceCube нужно лишь убедиться, что он может отличать их эффект от воздействия мюонов. Частично этот процесс изображён на рис. 6, где видно, что входящий мюон даёт свет на входе в IceCube, а нейтрино не даёт.

Вот и весь IceCube. Ну, почти. Нужно ещё упомянуть несколько фотоэлементов, расположенных на поверхности льда, в кластере IceTop. Их предназначение станет понятным, когда мы доберёмся до рис. 7. И всё же, по сравнению с детекторами Большого адронного коллайдера, гораздо меньшими по размеру, чем IceCube, это очень простой детектор.

Рис. 3

Технологию, используемую в IceCube, тестировали на куске льда в десять раз меньшего размера, в эксперименте AMANDA. Ту же идею (использование излучения Черенкова, происходящего из-за столкновения нейтрино с материей) использовали в больших цистернах с водой вместо льда. Но вы понимаете, что цистерну воды размером с IceCube организовать нелегко. Единственный способ достать столько воды – это использовать океан, именно это делают в эксперименте ANTARES, размещая инструменты на струнах на большой глубине [на самом деле, нет – существует ещё такое уникальное озеро, как Байкал, в котором как раз готовят такой же детектор на основе воды: Байкальский подводный нейтринный телескоп // прим. перев.]. У льда есть недостатки – после того, как фотоэлементы размещены в отверстиях с водой, а они замёрзли, их уже никак нельзя достать для ремонта в случае поломки. С другой стороны, в океане есть течения, которые будут болтать ваши датчики, а также множество живых существ, излучающих свет, которые будут отвлекать вас от того, что вы пытаетесь увидеть. В любом случае, хорошо иметь несколько экспериментов, использующих разные методы, чтобы сравнивать результаты и решать, каким из аспектов можно доверять.

Что IceCube сейчас видит и может увидеть

Какие природные процессы порождают нейтрино и антинейтрино, которые может засечь IceCube? Он может засечь и измерить нейтрино с энергией, превышающей 100 ГэВ – порядка энергии массы (E = mc²) частицы Хиггса. Какие же это нейтрино?

Рис. 4

Некоторые нейтрино IceCube не засечёт: более распространённые нейтрино низких энергий, исходящие от распадов нестабильных атомных ядер в породе (пример радиоактивности), нейтрино, идущие из внутренней топки Солнца, и нейтрино из взрывов сверхновых. У этих нейтрино энергии достигают от нескольких тысячных до нескольких сотых долей ГэВ – это гораздо ниже порога, необходимого для эффективного обнаружения на IceCube.

Самые распространённые из наблюдаемых IceCube нейтрино – атмосферные. Они на самом деле появляются в атмосфере земли благодаря космическим лучам. Космические лучи – это частицы очень высоких энергий, обычно протоны, врезающиеся в атомные ядра в верхних слоях атмосферы, и порождающие каскад адронов (так называют частицы, состоящие из кварков, антикварков и глюонов), а также фотонов, электронов и позитронов. В свою очередь, некоторые из этих адронов при распаде могут породить нейтрино. Эти нейтрино обладают широким диапазоном энергий, и количество нейтрино быстро падает с увеличением энергии. Они могут приходить со всех концов Земли, как показано на рис. 5. Космические лучи приходят со всех направлений, и сталкиваются с атмосферой Земли во всех местах над её поверхностью, поэтому могут появиться нейтрино, добравшиеся до IceCube с любой точки поверхности Земли. Интересный геометрический факт: IceCube (и любой сходный детектор) получает равное число нейтрино со всех направлений — хотя те, что пришли из-под земли (то есть, в случае с IceCube, с севера), проходят тысячи километров сквозь камень, а те, что пришли сверху, проходят всего через 1-2 километра льда.

Рис. 5

Измерять нейтрино, пришедшие сверху, довольно проблематично. Нейтрино и мюоны очень часто встречаются в атмосферных каскадах, но мюона гораздо больше шансов выдать сигнал в IceCube, чем у нейтрино, так что большая часть того, что видит IceCube из приходящего сверху, относится на счёт мюонов, а не нейтрино. Большую часть времени сигнал явно принадлежит мюону, а не нейтрино (рис. 6), но иногда случается нечто странное, и свет, который отличает мюон от нейтрино, не засекается. В этом случае IceCube выдаст измерение «ложного нейтрино», который на самом деле был мюоном. И хотя это бывает редко, мюонов фиксируется такое большое количество, что ложные нейтрино необходимо отслеживать, особенно для низких энергий.

К счастью, большая часть мюонов из космических лучей не пробирается в полуторакилометровую толщу льда. Что ещё лучше, мюонам, появляющимся из космических лучей за горизонтом южного полюса, нужно пройти сотны или тысячи километров сквозь Землю, чтобы попасть в IceCube – и им это не удаётся. Поэтому, хотя мюоны и способны создавать ложные нейтрино, идущие вниз (к центру Земли), они не могут создавать ложные нейтрино, идущие вверх. Поэтому, идущие вверх сигналы – чистые, и практически всегда происходят от реальных нейтрино.

Рис. 6: космические лучи порождают мюоны, некоторые из которых доходят до IceCube. Но в отличие от нейтрино, мюоны несут с собой излучение Черенкова. А большинство мюонов не могут пройти сквозь толщу Земли, и потому не могут прийти снизу

Что насчёт остальных нейтрино? Те, что IceCube скорее всего засечёт, что являются его основной мишенью, называются астрофизическими нейтрино. Что это? Мы вполне уверены, хотя и не понимаем это полностью, что в космосе происходит нечто весьма поразительное, что порождает космические лучи самых больших энергий. Это протоны и атомные ядра с энергиями, приближающимися к миллиону миллионов ГэВ, и, вероятно, превышающие этот порог (Вспомните, что Большой адронный коллайдер ускоряет протоны до энергий в несколько тысяч ГэВ). Практически невозможно себе представить, как этот процесс ускорения мог бы произойти, если бы в этом далёком природном ускорителе частиц не проходили столкновения протонов и другой материи. Все эти столкновения должны создать нейтрино, с энергией меньшей, чем у сверхвысокоэнергетических космических лучей, но всё равно большей, чем мы наблюдали до этого. Мы не знаем, сколько в космосе таких нейтрино, но у нас есть основания полагать, что их достаточно для того, чтобы мы обнаружили их на IceCube. Возможно, мы их уже нашли.

Основная цель IceCube – обнаруживать астрофизические нейтрино и помочь выяснить, откуда они берутся. Для этого необходимо не только наблюдать за нейтрино, но также смотреть при помощи как обычных, так и экзотических телескопов, за фотонами (видимый свет, радиоволны, гамма-лучи – за чем угодно!), исходящих из того же места в небе, и, возможно, в то же, или почти в то же время. К примеру, если где-нибудь в космосе взрыв большой силы создаст сильные магнитное и электрическое поля, которые смогут ускорит протоны и электроны до экстремальных энергий, различные взаимодействия между этими протонами, электронами и присутствующим там газом могут породить как высокоэнергетические фотоны, так и высокоэнергетические астрофизические нейтрино. Если повезёт, эти фотоны можно обнаружить при помощи какого-нибудь из специальных телескопов примерно в то же время и с того же направления, с которого IceCube обнаружит нейтрино. (Да, в любой момент времени есть вероятность, что мы засечём только один астрофизический нейтрино). Такого пока не случалось, к разочарованию всех, но IceCube работает не так давно.

В любом случае цель в том, что IceCube увидит астрофизические нейтрино, он станет для нас таким же телескопом, как другие, и позволит наблюдать, пусть и с таким размытым нейтринным зрением, в каких местах небо «яркое» из-за высокоэнергетических нейтрино. Исторически сложилось так, что каждый раз при вводе нового телескопа мы открываем на небе новые объекты, и больше узнаём об уже обнаруженных объектах. Поэтому с IceCube есть надежда, что он скоро станет нейтринным телескопом, следящим не за космическими лучами, врезающимися в атмосферу, но за чрезвычайно энергетическими объектами, находящимися в глубоком космосе.

Смотрим вниз и вверх

Атмосферные нейтрино приходят к нам сверху, а вместе с ними приходят и мюоны, некоторые из которых порождают эффект ложного нейтрино. С увеличением энергии их количество уменьшается, поэтому достаточно высокоэнергетические астрофизические нейтрино (с энергиями, приближающимися к миллиону ГэВ) можно наблюдать без помех. Но астрофизические нейтрино с энергиями сильно меньше миллиона ГэВ теряются в море атмосферных нейтрино. К счастью, существует фокус по уменьшению количества атмосферных нейтрино и атмосферных мюонов, идущих сверху, позволяющий IceCube засекать астрофизические нейтрино, идущие сверху, с энергиями вплоть до 10 000 ГэВ. Эта техника была использована при получении очень интересных данных. Два нейтрино с высокими энергиями в этих данных обладали такой большой энергию, что вряд ли были атмосферными. Но оставшиеся 26 (из которых ожидали только 10) засекли только после использования этого фокуса.

Он состоит в том, чтобы отбросить идущие вниз нейтрино, природа которых почти наверняка атмосферная, и оставить только астрофизические нейтрино, немного атмосферных и немного ложных нейтрино, порождаемых атмосферными мюонами. Это нельзя выполнить со 100% точностью, но попытаться можно, как показано на рис. 7. Мюоны из космического каскада частиц (рис. 4) прибывают на IceTop (рис. 1) в то же самое время, как нейтрино прибывают на IceCube, в промежутке до нескольких стотысячных долей секунды. В таком случае нейтрино почти наверняка атмосферный. В ином случае – вероятно, нет. Отбрасывание почти наверняка атмосферных нейтрино сильно уменьшает их количество, но учёные с IceCube заявляют, что они всё ещё видят больше нейтрино, чем ожидали.

Рис. 7: атмосферные нейтрино, доходящие до детектора, обычно идут в компании мюонов, движущихся в то же время в том же направлении. Некоторые из мюонов можно зафиксировать на IceTop. У астрофизических нейтрино нет таких компаньонов, поэтому IceTop не зафиксирует ничего одновременного.