Ученые доказали работоспособность нового метода поиска высокоэнергетических частиц, который основан на генерации радиоволнового эха от ионизационного следа, возникающего при движении частицы в среде. Такой способ может пригодиться для поиска нейтрино в диапазоне энергий, недоступном для других экспериментов, пишут авторы в статье, принятой к публикации в Physical Review Letters.
С Землей постоянно сталкиваются разнообразные частицы из огромного диапазона энергий — все вместе они называются космическими лучами. Одним из основных источников космических лучей оказывается Солнце, но при переходе к высоким энергиям его вклад постепенно исчезает, а роль галактических и внегалактических объектов увеличивается.
Одним из изучаемых в составе космических лучей типов частиц является нейтрино — чрезвычайно маломассивные частицы, которые очень слабо взаимодействуют с веществом. Существует несколько способов регистрации этих частиц, но они ограничены по чувствительности определенными диапазонами энергий.
Крупнейший эксперимент по поиску нейтрино на данный момент — это детектор IceCube на Южном полюсе. Эта установка регистрирует черенковское излучение льда от заряженных частиц, порожденных столкновением нейтрино с атомными ядрами. Таким методом можно фиксировать частицы до 10 петаэлектронвольт (1016 эВ), потому что более энергичные частицы порождают свечение, которое поглощается во льду на расстоянии порядка 200 метров, что ставит верхний предел на эффективный размер детектора.
С другой стороны, можно регистрировать когерентные радиоволны, излучаемые каскадами заряженных частиц, которые порождаются нейтрино. Этот эффект, впервые описанный советским физиком Гургеном Аскарьяном, лежит в основе эксперимента ANITA, который с аэростата фиксирует радиоизлучение от провзаимодействовавших с антарктическим льдом нейтрино. Однако интенсивность электромагнитных волн зависит от исходной энергии частицы, из-за чего уверенная регистрация начинается лишь для нейтрино с энергиями от 100 петаэлектронвольт.
Физики из США, Бельгии и Тайваня при участии Стивена Прохира (Steven Prohira) из Университета штата Огайо продемонстрировали реализуемость нового метода, который заключается в активном зондировании детектора радиоволнами. Так как каскад частиц будет двигаться с локальным превышением скорости света в веществе, то он будет эффективно ионизовать материал, то есть приводить к появлению свободных электронов, которые могут стать самостоятельными источниками электромагнитных колебаний, если их облучить радиоволнами. Ключевым преимущество способа оказывается очень слабая зависимость от начальной энергии частицы.
Эта группа ученых не первый раз пытается реализовать задумку, но предыдущие попытки измерений радиоэха в воздухе не были результативными. На этот раз ученые изготовили пластиковую мишень длиной в четыре метра, которая играет роль участка льда. В нее направлялся сгусток примерно из миллиарда электронов с энергиями около 1010 электронвольт каждый, что примерно соответствует нейтрино с энергиями порядка 1019 электронвольт.
Авторам удалось зафиксировать искомый радиосигнал, длительность которого составила порядка 10 наносекунд. Его параметры оказались в хорошем согласии с результатами моделирования, а его интенсивность позволила надежно выделить его из шумов на уровне значимости выше пяти стандартных отклонений.
Теперь ученые планируют провести полноценные испытания метода в Антарктиде. Они оценивают стоимость создания полноценной обсерватории на данном принципе в несколько миллионов долларов США, что весьма мало по сравнению с примерно 300 миллионами, вложенными в IceCube. Также исследователи отмечают, что радиоэхо — это единственный предложенный метод с пиковой чувствительностью именно в диапазоне 10–100 петаэлектронвольт, что позволит ему удачно дополнить существующие эксперименты.
Недавно Япония одобрила строительство нового детектора нейтрино, который станет одним из крупнейших в мире. Ранее другой детектор нейтрино, Borexino, подвел итоги наблюдения за возникающими в толще Земли частицами. Единственным найденным внегалактическим источником нейтрино остается блазар TXS 0506+056, у которого нашли особенности джета, которые могут быть связаны с генерацией частиц.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение