Детектор на дне Средиземного моря поймал нейтрино с рекордно высокой энергией — у него внегалактическое происхождение

Строящаяся в Европе подводная нейтринная обсерватория KM3NeT сообщила о получении первого уникального результата. Датчики объекта зарегистрировали нейтрино рекордно высокой энергии — на порядок, а то и больше, чем всё, что фиксировалось ранее. Изучение сигналов детекторов показало, что это «супернейтрино» имело внегалактическое происхождение. Точной привязки к конкретным объектам нет, но есть некоторые подсказки.

Детектор частиц перед погружением на дно моря. Источник изображения: Patrick Dumas/CNRS

Регистрация нейтрино крайне затруднена. Эти частицы слабо взаимодействуют с веществом — настолько незначительно, что одно время их даже рассматривали в качестве кандидатов на роль тёмной материи. Чтобы нейтрино с вероятностью 50 % вступило в связь с одним атомом, ему необходимо пролететь стену свинца толщиной в один световой год. Причём чем выше энергия нейтрино, тем меньше шансов его обнаружить. Единственная причина, по которой эти частицы всё же фиксируются, — их невообразимо большое количество. После фотонов нейтрино являются второй по массовости частицей во Вселенной. В данном случае статистика — наше всё.

Рекордное по энергии нейтрино было детектировано датчиками KM3NeT 13 февраля 2023 года. Статья в Nature опубликована 12 февраля 2025 года. Всё это время учёные разбирались с сигналом, чтобы не допустить ошибки. Сегодня можно восстановить примерный ход событий.

Нейтрино родилось за пределами нашей галактики. Реконструкция данных позволила определить область неба, откуда оно прилетело. Там сейчас наблюдаются 12 блазаров — активных ядер галактик (чёрных дыр), джеты которых направлены практически прямо на Землю. Нейтрино столь высоких энергий могут возникать как в ходе наиболее ярких процессов в таких объектах, так и во время путешествия космических лучей джетов к Земле.

На Землю загадочное нейтрино обрушилось под пологим углом и, пройдя через толщу земной коры, вступило в реакцию с веществом. В результате взаимодействия нейтрино распалось, породив, в том числе, мюон высоких энергий. Этот энергичный (и короткоживущий) мюон продолжил движение и, пройдя через массив датчиков нейтринной обсерватории KM3NeT, был зарегистрирован значительной их частью. Первые датчики даже оказались перегружены неожиданно высокой энергией мюона.

Источник изображения: Nature 2025

Энергия мюона составила от 60 до 230 ПэВ (петаэлектронвольт). Энергия породившего его нейтрино должна была находиться в диапазоне от 120 до 220 ПэВ или даже превышать этот предел. До сих пор самые энергичные зарегистрированные нейтрино не превышали 10 ПэВ. Прилетевшее из космоса «нейтринище» минимум на порядок превзошло все ранее известные результаты по этим частицам и оказалось в 10 000 раз мощнее, чем можно получить на современных земных ускорителях.

Это открытие подчёркивает важность строящейся обсерватории KM3NeT. Сейчас она готова лишь на 10 %, но уже привнесла в науку невероятно продуктивный опыт. В окончательном виде обсерватория будет состоять из двух массивов датчиков: на глубине 2,5 км у берегов Сицилии (ORCA) и 3,5 км у берегов Франции (ARCA). Её запуск в полную силу позволит значительно ускорить исследования в области нейтрино, что станет мощным инструментом для изучения тайн Вселенной.