Разгадка природы космических частиц: как ученые нашли след ультра-высокоэнергетического нейтрино

Международная группа ученых, работающая в рамках эксперимента KM3NeT — нейтринной обсерватории в Средиземном море, детектировала ультра-высокоэнергетическое нейтрино с оценочной энергией около 220 петаэлектронвольт (ПэВ) — самое мощное из зарегистрированных на сегодняшний день.
Чтобы определить возможный источник этого редчайшего явления, исследователи провели многочастотный анализ, используя в том числе данные российского радиотелескопа РАТАН-600 на Северном Кавказе. Их внимание сосредоточилось на активных ядрах галактик — блазарах, которые, предположительно, могут быть мощными космическими ускорителями частиц.
Результаты работы представлены в препринте, подготовленном международным консорциумом KM3NeT и группами астрофизиков из разных стран, включая российских ученых из Специальной астрофизической обсерватории (САО) РАН, Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН, Физического института имени Лебедева РАН (ФИАН), Московского физико-технического института (МФТИ) и Казанского государственного университета (КГУ).

Нейтрино как ключ к тайнам Вселенной
Исследования нейтрино — одних из самых загадочных элементарных частиц — играют ключевую роль в изучении экстремальных процессов во Вселенной. Практически не взаимодействуя с веществом, нейтрино могут проходить через космические расстояния, не теряя информации о своем происхождении.
Прорыв в нейтринной астрономии произошел в 2017 году, когда детектор IceCube связал высокоэнергетическое нейтрино с блазаром TXS 0506+056, что открыло новую эру изучения этих частиц. Позднее ученые, анализируя данные нейтринного телескопа ANTARES, подтвердили статистически значимую корреляцию между потоками нейтрино и активными ядрами галактик.
Теперь команда KM3NeT продолжает эти исследования, стремясь раскрыть механизмы ускорения частиц и определить точные источники нейтрино ультра-высоких энергий.

220 ПэВ — энергия, недоступная земным ускорителям
Для понимания масштаба события стоит вспомнить, что рекорд энергии, достигнутый на Большом адронном коллайдере, более чем в 30 тысяч раз меньше — всего 7 ТэВ. Чтобы частица приобрела такую огромную энергию, необходимы уникальные астрофизические условия.
Например, чтобы высвободить энергию, эквивалентную одной такой частице, потребовалась бы аннигиляция свыше 200 миллионов атомов водорода. Подобные колоссальные процессы могут происходить в джетах блазаров — мощных потоках плазмы, выбрасываемых сверхмассивными черными дырами.

Поиск источников: блазары как вероятные ускорители

Зарегистрированное нейтрино получило обозначение KM3-230213A. Оно было зафиксировано детектором у берегов Сицилии, а область неопределенности направления частицы составила всего 3 градуса (с доверительной вероятностью 99 %).

Чтобы выяснить, откуда могло прибыть это "космическое послание", ученые провели комплексный анализ:

Использовали данные радионаблюдений с РСДБ-сетей и одиночных телескопов (OVRO, РАТАН-600 и др.), а также рентгеновские (Swift‑XRT, Chandra, eROSITA), гамма- (Fermi-LAT) и оптические наблюдения.
Отобрали 17 кандидатов-блазаров, чья активность могла быть связана с данным событием.
Исследовали временные корреляции между вспышками в различных диапазонах и временем регистрации нейтрино.

Наиболее интересным объектом оказался блазар PMN J0606‑0724, в котором незадолго до события KM3-230213A была зафиксирована мощная радио-вспышка. Вероятность случайного совпадения составила всего 0,26 %, что делает этот объект главным кандидатом на роль источника.
Хотя однозначно привязать конкретный блазар к данному нейтрино пока невозможно, найденные корреляции подтверждают гипотезу о том, что экстремальные процессы в блазарах могут генерировать ультра-высокоэнергетические нейтрино.

Новая стратегия в поиске нейтринных источников
Главное новшество подхода KM3NeT — комплексное использование данных из разных спектральных диапазонов. Если раньше исследования опирались на отдельные методы — радио-, гамма- или рентгеновские наблюдения, — то теперь синергия разных данных позволяет значительно точнее локализовать источники нейтрино и изучить их физические параметры.

«Наши результаты подчеркивают, насколько важно объединять наблюдения в широком диапазоне — от радио до гамма-лучей — для понимания экстремальных процессов во Вселенной, — отмечает Александр Попков, научный сотрудник лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ. — Выяснение механизмов, порождающих ультра-высокоэнергетические нейтрино, может привести к пересмотру теорий ускорения космических лучей, что крайне важно для фундаментальной физики и космологии».

От нейтрино — к технологиям будущего
Помимо фундаментальных открытий, изучение нейтрино имеет прикладное значение. Совершенствование методов анализа и разработка новых алгоритмов работы с данными с высоким временным разрешением стимулируют развитие нейтринных телескопов нового поколения.

Применение этих технологий может помочь астрономам:

Планировать прицельные наблюдения в периоды активности блазаров.
Улучшать модели динамических процессов в ядрах галактик.
Оценивать влияние космических лучей на спутники и космические миссии.

Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки РФ в рамках научного проекта «Изучение происхождения, источников и свойств нейтрино на Байкальском нейтринном телескопе и других установках мирового класса» (грант 075-15-2024-541).

Источник: Новое окно в космос: российский радиотелескоп обнаружил возможные источники ультра-высокоэнергетических нейтрино — За науку