Купаясь в космических ливнях

Космическое излучение, взаимодействующее с атмосферой (зеленый путь нейтрино). Иллюстрация Physorg

В далеком 1934 году 30-летний советский физик Павел Черенков обратил внимание на странное голубое свечение жидкостей, возникающее при направлении на них пучка быстрых зараженных частиц. Проведенный теоретический анализ показал, что это свидетельство превышения лимита скорости света в среде. За открытие этого свечения Павел Алексеевич Черенков был в 1958 году удостоен Нобелевской премии. К сожалению, не дожил до этой заслуженной награды академик Сергей Вавилов, чьим аспирантом был Черенков и который объяснил теоретически обнаруженный эффект. Впрочем, эффект так и вошел в историю физики как «эффект Вавилова–Черенкова».

Со временем феномен был использован при создании черенковских счетчиков, которые оказались незаменимыми для регистрации нейтрино высоких энергий. Эта частица – нейтрино – была поначалу открыта на кончике пера теоретиками, которые обсчитывали энергетические ландшафты бета-распада, или вылета из нейтрона бета-частицы. Этот процесс контролируется слабым взаимодействием, за которое отвечает слабый (weak) W – бозон. Итальянец Энрико Ферми назвал третью частицу бета-распада «нейтрино» (явно по аналогии с итальянским «бамбино»). Много позже выяснилось, что космос и Землю буквально пронизывает поток нейтрино, которые идут к нам из глубин дневного светила и от остатков сверхновой, вспыхнувшей на небе в 1987 году (SN78).

В настоящее время существует несколько земных нейтринных обсерваторий, представляющих собой совокупность тысяч черенковских счетчиков. Наблюдения за потоками нейтрино, идущими от Солнца, показали, что те способны к трансмутации – превращению одних в другие по пути следования. Большие надежды физики возлагали в августе 2017 года на слияние двух нейтронных звезд, гравитационные волны от которого достигли Земли. Но регистрации потока частиц не случилось. Вполне возможно, что это связано с тем, что ось луча нейтрино в виде так называемой струи не была направлена в сторону земных наблюдателей. Долгое время не оправдывал возлагавшихся надежд и дорогостоящий «Ледяной куб» (Ice Cube) – обсерватория с 5 тыс. нейтронных детекторов, пронизывающих кубический километр льда в точке Южного полюса в Антарктиде.

И вот 22 сентября 2017 года «Ледяной куб» зарегистрировал отрицательно заряженный мюон, представляющий собой более тяжелого собрата электрона. Околосветовая скорость мюона свидетельствовала о том, что это продукт распада нейтрино высокой энергии, вонзившегося в Землю где-то в районе Африканского Рога (скорее всего на границе Эфиопии и Сомали). Орбитальный гамма-телескоп «Ферми», который мониторит более 2 тыс. так называемых блазаров, послал астрономам всей планеты сообщение о фиксации события.

Блазары – это квазизвезды, поскольку свою энергию мощнейших излучений, зачастую в рентгеновском и гамма-диапазонах, они черпают не в ходе термоядерной реакции. Речь идет о торах-бубликах пыли и газа, собираемых гравитационным полем черных дыр, вокруг которых они и вращаются. Трение внутренних слоев этих образований, скорость вращения которых увеличивается по мере приближения к черной дыре, приводит к их разогреву до миллионов градусов. Избыток массы слоев «срывается» с полюсов дыры, формируя упомянутые струи-джеты. Их структура определяется магнитными полями. Мы их видим, когда ось струи оказывается направленной в нашу сторону.

Вполне возможно, что долетевшее до Африканского Рога нейтрино было направлено именно такой струей. В конечном итоге астрофизики пришли к выводу, что наиболее вероятным кандидатом является блазар TXS, за которым теперь, по сообщению журнала Science, следят и китайские спутники-телескопы. О значении регистрации «Ледяным кубом» мюона свидетельствуют экстренные сообщения Nature, Science и Astrophysical Letters.

Оно и понятно, поскольку впервые удалось зарегистрировать удаленный источник нейтрино высоких энергий. Это может внести существенные изменения в Стандартную модель, которую, казалось бы, так упрочило открытие бозона Хиггса, придающего массу частицам. Выяснилось, однако, что они могут иметь весьма незначительную массу при «разлете» с высокой энергией, подтверждая справедливость эйнштейновской форму Е = mс2. Согласно ей, если скорость приближается к скорости света, то масса может быть и ничтожной.