През февруари 2023 г. детекторът ARCA – част от неутрино телескопа KM3NeT, който се изгражда на дъното на Средиземно море – регистрира частица с екстремна енергия. Мюонът профуча през съоръжението и активира около една трета от всички сензори. Енергията на неутриното, което го е породило, е оценена от колаборацията като между 72 и 2600 PeV, като най-вероятната стойност е около 220 PeV. За да разберем мащаба: един PeV е един милион милиарда електронволта, което е стотици пъти повече от това, което се постига в най-мощния ускорител в света. Предишният рекорд, поставен от IceCube, беше около 1 PeV. Новото събитие го надхвърли повече от сто пъти.
Защо IceCube мълчи
IceCube е обсерватория за неутрино на Южния полюс, която работи от 2011 г. насам. Тя представлява кубичен километър антарктически лед, натъпкан с повече от пет хиляди оптични сензора. KM3NeT все още не е завършена: към момента на регистриране на събитието са инсталирани само 21 от планираните 230 вертикални сензорни гирлянди. Чувствителната зона на IceCube при енергии от стотици PeV е десетки пъти по-голяма от тази на KM3NeT. Времето за работа е около десет пъти по-дълго. Общото предимство на IceCube е около 280 пъти.
Тоест, ако събитие с такава енергия се е регистрирало само веднъж в малък и нов детектор, то в голям и отдавна работещ детектор такива събития би трябвало да са десетки. Но IceCube не е регистрирал нито едно неутрино с енергия над 10 PeV.
На това противоречие са посветени две статии, публикувани през 2026 г. Първата е статията на Шърли Уейши Ли и др. в Physics Letters B, където е направен подробен статистически анализ. Втората е статията на Ведран Бдар и Дибия Чатопадхей във Physical Review Letters, в която се предлага обяснение, включващо нова физика.
Степента на противоречие
Групата на Лий тества три варианта на обяснението и за всеки от тях оценява колко голямо е несъответствието между наблюденията на двата детектора. Във физиката несъответствията обикновено се измерват в единици стандартно отклонение – „сигми“. 3σ означава, че вероятността за случайно съвпадение е част от процента. 5σ е прагът, от който даден резултат се счита за откритие.
Първият вариант: неутрино от общия космически фон. През годините IceCube открива постоянен поток от неутрино, идващ от всички посоки. Интензитетът му намалява с увеличаване на енергията по определен закон. Ако разширим този закон до областта на стотици PeV, то по време на живота на KM3NeT се очакват около 0,005 такива събития – т.е. да се види едно такова събитие вече е малко вероятно. Но основният проблем е друг: ако приемем, че потокът наистина е толкова силен, че едно събитие в KM3NeT е очаквано, то IceCube би трябвало да е регистрирал около 75 подобни събития през своята история. Несъответствието е 3,5σ.
Вторият вариант: космогенни неутрино. Това са неутрино, които теоретично би трябвало да се породят, когато космически лъчи с екстремни енергии се сблъскват с реликтовото излъчване – слабия микровълнов фон, който запълва цялата Вселена. Подобни неутрино бяха предсказани през 60-те години на миналия век, но все още не са открити. Авторите тестват три модела на космогенния поток. Нито един от тях не е съвместим едновременно с едно събитие в KM3NeT и с нула събития в IceCube. Тези модели, които допускат достатъчен поток за KM3NeT, вече са изключени от данните в IceCube. Тези, които са съвместими с данните от IceCube, предвиждат незначителна вероятност за събитие в KM3NeT. Несъответствието е между 3,1σ и 3,6σ.
Трети вариант: специфичен източник в небето. При свръхвисоки енергии Земята поглъща неутриното, преминаващо през нейната тъкан. Следователно чувствителността на детектора зависи от това от коя посока идва сигналът. Ако източникът се намираше в област от небето, достъпна за KM3NeT, но „затворена“ от Земята за IceCube, нямаше да има противоречие. Геометрията на конкретното събитие обаче не позволява това: посоката, от която е дошло неутриното KM3-230213A, е зона с висока чувствителност и за двата детектора. Несъответствието за постоянен източник е 2,9σ. За източника, който е пробляснал наскоро и е работил само през периода на наблюдение на KM3NeT, несъответствието е 2,0σ.
Самата колаборация на KM3NeT оценява несъответствието по-слабо, на 1,9σ. Авторите обясняват това с разлики в статистическата процедура и смятат, че техният подход е по-строг.
Общото заключение на първата статия е, че нито един от известните астрофизични потоци не обяснява събитието KM3-230213A без противоречие с данните от IceCube. Най-вероятното обяснение в рамките на известната физика е, че неутриното е дошло от нов, ненаблюдаван досега източник.
Другото обяснение е, че 147 километра скали
Втората статия отива по-далеч и предлага обяснение, което надхвърля Стандартния модел на физиката на елементарните частици.
Отправната точка е разликата в геометрията. Събитието KM3-230213A е регистрирано почти от хоризонта: неутриното е пристигнало под ъгъл от 0,6° спрямо хоризонта на KM3NeT. Преди да достигне до детектора, частицата премина през около 100 километра скали и 47 километра морска вода – общо 147 километра плътна материя. За IceCube същата посока в небето съответства на около 8° над хоризонта и неутриното преминава само през около 14 километра антарктически лед. Разликата е десетократно по-голяма.
В стандартната физика тази разлика не е от значение: неутриното на такива разстояния се поглъща съвсем слабо.
Но Бдар и Чатопадхяй предполагат, че източникът е излъчил не обикновени, а стерилни неутрино – хипотетичен вид неутрино, което изобщо не взаимодейства с материята и следователно е невидимо за който и да е детектор. Съществуването на стерилни неутрино се допуска от много разширения на Стандартния модел, въпреки че те все още не са открити експериментално.
Смисълът на хипотезата: стерилните неутрино, прелитайки през земната материя, частично се трансформират в обикновени мюонни неутрино. Това явление се нарича осцилация – спонтанно превръщане на неутрино от един вид в друг. Осцилациите на неутриното са доказан физичен ефект и за откриването им през 2015 г. е присъдена Нобелова награда. Все още обаче не са наблюдавани осцилации с участието на стерилни неутрино.
Вероятността стерилно неутрино да се превърне в мюонно неутрино при преминаване през материята зависи от дължината на пътя. Колкото по-дълъг е пътят, толкова по-голяма е вероятността. Тъй като пътят до KM3NeT през материята е десет пъти по-дълъг, отколкото до IceCube, вероятността за трансформация може да се различава около сто пъти (тя расте пропорционално на квадрата на дължината на пътя при определени условия). Този коефициент може да компенсира тристакратното предимство на IceCube по отношение на експозицията: KM3NeT получава повече мюонни неутрино, породени във вътрешността на Земята, докато IceCube не получава почти нищо, тъй като 14 километра лед не са достатъчни за забележима трансформация.
Двата предложени механизма
Осцилациите на стерилни неутрино в обикновени неутрино на разстояние ~150 км при енергия ~200 PeV не се случват от само себе си: при известните параметри дължината на осцилацията е твърде голяма. Авторите предложиха два механизма, които преодоляват тази празнина.
Първият механизъм: стерилното неутрино взаимодейства с нуклоните (протони и неутрони) чрез нова сила – чрез хипотетичен лек бозон, свързан с барионния заряд. Това взаимодействие създава допълнителен потенциал в материята, който рязко усилва осцилациите на определена дължина – възниква резонанс. Резонансната дължина при допустими стойности на параметрите на новото взаимодействие е само около 150 километра. За стерилно неутрино с маса около 3 килоелектронволта вероятността да се превърне в мюонно неутрино при преминаване на 147 километра от скалата е от порядъка на един процент. При преминаване на 14 километра лед – сто пъти по-малко.
Вторият механизъм: в уравненията, описващи поведението на неутриното в материята, се добавя допълнителен член, смесващ стерилните и мюонните неутрино. Тези корекции се наричат нестандартни взаимодействия на неутриното. Този вариант не изисква прецизна настройка на параметрите за резонанса – вероятността за преобразуване просто расте с дължината на пътя. Но желаните стойности на параметрите са близки до експерименталните граници.
Какво е необходимо от източника
И двата механизма изискват астрофизичният източник да излъчва предимно стерилни неутрино. Това е възможно, ако източникът е заобиколен от толкова плътна обвивка, че обикновените неутрино се поглъщат в нея, а стерилните неутрино преминават свободно. Кандидати са някои видове гама-изригвания, при които изхвърлянето на материя не прониква през външната обвивка на звездата, или активни ядра на галактики с висока плътност на материята върху зрителния лъч.
Търсенето на електромагнитни сигнали (гама-лъчи, рентгенови лъчи, радиовълни) от посоката на събитието KM3-230213A не даде еднозначен резултат. Това е в съответствие с хипотезата за източник, затворен за електромагнитно излъчване.
Какво следва от двата анализа
И двете групи са съгласни с главното: наблюдението на KM3-230213A и отсъствието на подобни събития в IceCube изискват обяснение. Несъответствието е между 2 и 3,6 стандартни отклонения – достатъчно, за да изисква сериозно разглеждане, но не достатъчно, за да се правят недвусмислени изявления.
Обяснението чрез нов астрофизичен източник изисква минимум предположения. Само че не дава отговор на въпроса защо KM3NeT го е видял пръв. Обяснението чрез стерилни неутрино премахва това противоречие, но въвежда хипотетични частици и взаимодействия, които все още не са открити или изключени.
Проверката е възможна. KM3NeT продължава да се изгражда: всяка нова верига от „гирлянди“ увеличава броя на сензорите и чувствителната зона. Проектът IceCube-Gen2 ще увеличи десетократно обема на антарктическия детектор. Ако тези събития се повтарят и се установи, че броят им зависи от дължината на пътя на неутриното през скалата, това би било признак за стерилни неутрино. Ако събитията се наблюдават по един и същи начин в детектори с различна геометрия, обяснението остава астрофизично. Така или иначе, за да се отговори на въпроса, са необходими повече данни – и повече детектори в различни точки на планетата.
Всичко важно от света на технологиите, директно в пощата ти.
С абонирането приемате нашите Условия и Политика за поверителност. Може да се отпишете с един клик по всяко време.
Коментирайте статията в нашите Форуми. За да научите първи най-важното, харесайте страницата ни във Facebook, и ни последвайте в Google Новини, TikTok, Telegram и Viber или изтеглете приложението на Kaldata.com за Android, iPhone, Huawei, Google Chrome, Microsoft Edge и Opera!
