Российские ученые предложили новый механизм появления легчайших элементарных частиц

Ученые из Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН), Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Московского физико-технического института (МФТИ) исследовали направления прихода астрофизических нейтрино с энергиями свыше триллиона электронвольт (ТэВ) и пришли к неожиданному выводу: все они рождаются вблизи черных дыр в центрах далеких активных галактик — мощных источников радиоизлучения. Ранее предполагалось, что в источниках этого класса можно получить только нейтрино с самыми высокими энергиями.

Считается, что в центрах активных галактик нашей Вселенной располагаются массивные черные дыры. Они являются сердцем этих объектов со светимостью в сотни миллионов солнц. Эти активные галактики — квазары — хорошо видны с Земли как оптическими, так и радиотелескопами.

Российские ученые Александр Плавин, отец и сын Ковалевы, обоих зовут Юрий, и Сергей Троицкий установили связь между происхождением нейтрино наиболее высоких энергий (свыше 200 ТэВ) и радиоквазарами. Уже это было удивительно, потому что теоретические статьи 1990-х годов указывали, что астрофизические нейтрино будут рождаться только при энергиях от 1000 ТэВ.

Нейтрино — мельчайшие элементарные частицы, у которых масса едва отлична от нуля, зато они могут пересекать Вселенную, практически не взаимодействуя с веществом и не имея никаких задержек на своем пути. Триллионы нейтрино в секунду проходят сквозь каждого человека на Земле, оставаясь совершенно незамеченными. Для регистрации нейтрино международная коллаборация ученых построила в Антарктиде специальный подледный телескоп — черенковский детектор IceCube, занимающий объем 1 куб. км льда. А в России ИЯИ РАН и ОИЯИ сейчас заканчивают сооружение подводного телескопа Baikal GVD в озере Байкал, объем которого уже приближается к IceCube. На уже начавшей работу части установки идет набор данных. Эти инструменты изучают небо в разных полусферах — Северной и Южной.

Проанализировав данные, собранные за семь лет на телескопе IceCube, ученые первоначально выбрали для анализа диапазон выше 200 ТэВ, чтобы изучить, с какого направления пришли эти нейтрино. Оказалось, что заметная их часть родилась в квазарах, выделенных радиотелескопами по их высокой яркости. Точнее, нейтрино родились где-то в центрах квазаров. Там располагаются массивные черные дыры, питающие их аккреционные диски, а также сверхбыстрые выбросы очень горячего газа. Более того, существует связь между мощными вспышками радиоизлучения в этих квазарах и регистрацией нейтрино на телескопе IceCube. Поскольку нейтрино распространяются по Вселенной со скоростью света, вспышки приходят к нам одновременно с нейтрино.

Теперь в своей новой статье российские ученые утверждают, что нейтрино энергий в десятки ТэВ тоже испускаются квазарами. В результате получается, что все — ну хорошо, почти все,— астрофизические нейтрино высоких энергий рождаются в квазарах. Заметим, кроме астрофизических, есть нейтрино, которые рождаются в атмосфере Земли и даже в самом детекторе IceCube во время взаимодействия космических лучей с веществом.

«Результат удивителен, поскольку для рождения нейтрино с энергиями, различающимися в 100–1000 раз, нужны разные физические условия.

Обсуждавшиеся ранее механизмы рождения нейтрино в активных галактических ядрах работали только при высоких энергиях. Мы предложили новый механизм рождения нейтрино в квазарах, который объясняет полученные результаты. Пока это приближенная модель, над ней надо работать, проводить компьютерное моделирование»,— рассказывает главный научный сотрудник ИЯИ РАН, член-корреспондент Российской академии наук Сергей Троицкий. Соавтор открытия из ФИАН и МФТИ член-корреспондент РАН Юрий Ковалев пояснил результаты в программе «Гамбургский счет» на ОТР.

В сентябре 2020 года консорциум под руководством Института ядерных исследований РАН выиграл трехлетний грант Минобрнауки с финансированием 100 млн руб. в год по теме «Нейтрино и астрофизика частиц». Объединились семь организаций, ИЯИ РАН, ОИЯИ, ФИАН, МФТИ, САО РАН, ГАИШ МГУ, Иркутский государственный университет. Около 100 ученых будут работать над решением вопроса о происхождении нейтрино, а также изучать его свойства. Проектом также предусмотрены и другие исследования, направленные на понимание природы астрофизических нейтрино высоких энергий, в том числе поиск фотонов того же диапазона энергий на установке «Ковер-3» Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН (Северный Кавказ).

Связь нейтрино и радиоквазаров вызвала большой интерес в мире. Начинается совместная работа российских ученых с нейтринным экспериментом ANTARES в Средиземном море. Свежая статья европейских и американских ученых независимо подтвердила открытие российской группы по данным радиотелескопов в США и Финляндии. Новые события прихода астрофизических нейтрино теперь отслеживаются крупными мировыми радиотелескопами и антенными решетками.

В 2021 году российские ученые соберут первые данные с телескопа Baikal GVD и проанализируют их совместно с данными РАТАН-600 и мировых сетей радиотелескопов, позволяющих в деталях рассмотреть центры квазаров. Нас ждет много интересного.

Использованы материалы статьи «Directional Association of TeV to PeV Astrophysical Neutrinos with Radio Blazars»; A. V. Plavin, Y. Y. Kovalev, Y. A. Kovalev, S. V. Troitsky; журнал The Astrophysical Journal, декабрь 2020 г.

Полина Юдина