Не ждали?

Представьте: над вами — три с половиной километра средиземноморской воды, сквозь которые никогда не пробивается солнечный и лунный свет, а вокруг — сотни нанизанных на вертикальные кабели стеклянных шаров — оптических модулей, каждый из которых тремя десятками глаз-фотоумножителей пристально смотрит во всех направлениях… Это не сюжет научно-фантастической антиутопии: так физики из коллаборации ловят астрофизические нейтрино высоких энергий.

В ночь на 13 февраля 2023 года между стержнями детекторов пронесся высокоэнергетичный мюон, осветив пространство черенковским излучением. Особенность этой конкретной вспышки была в том, что по меркам KM3NeT она оказалась уж очень яркой. Сигнал вызвал отклик трети всех работающих фотоумножителей, хотя обычно срабатывают десятки или сотни детекторов — на один-два порядка меньше. Такой рекордной вспышки физики, с одной стороны, уже давно ждали, но с другой — все равно плохо понимают, что могло ее вызвать. Вместе с учеными из KM3NeT разбираемся, что могло послужить источником такого события, что — точно не могло, а что пока так и осталось под завесой тайны.

Не местный

Если не вдаваться в подробности (за ними читатель может обратиться, например, к обзору или к нашему материалу «Кто стрелял?»), идея подводных нейтринных ловушек состоит в следующем. Когда нейтрино высоких энергий проходит через довольно плотную по астрофизическим меркам водную среду, оно взаимодействует с кварками внутри атомных ядер. Большинство таких взаимодействий сводится к одному из двух сценариев: в одном первоначальное нейтрино доживает до конечного состояния, а в другом — его место занимает заряженный партнер-лептон (например, для мюонного нейтрино это мюон). В обоих случаях дополнительно рождается еще и каскад из адронных продуктов реакции. 

Когда в этих каскадах образуются частицы, которые, во-первых, заряжены, а во-вторых, движутся быстрее фазовой скорости света в окружающем веществе, они теряют энергию в виде вспышки черенковского света. Приборы регистрируют такие вспышки и сразу же передают сигнал на компьютеры береговой станции. В этом массиве данных ученые ищут сигнал от астрофизического нейтрино, отделяя его от сходных по характеристикам шумов подводного и атмосферного происхождения.

Среди огромного количества фоновых событий небольшой энергии ученые надеются обнаружить редкие, но очень полезные сигналы астрофизических нейтрино высоких энергий. Они, во-первых, напрямую выдают свои источники — ведь нейтрино не отклоняются в магнитных полях, а во-вторых, позволяют смотреть практически через всю Вселенную насквозь: для нейтрино, в отличие от фотонов, не страшно поглощение. Однако чем выше энергия нейтрино, тем реже они рождаются в космосе — и тем дольше, как правило, приходится ждать их регистрации. С другой стороны, именно в области наиболее высоких энергий есть надежда получить самую интересную информацию об источниках. Поэтому физики строят большие нейтринные телескопы — и долго ждут. И иногда внезапно дожидаются!

Рекордно яркий февральский сигнал 2023 года с кодовым обозначением KM3-230213A коллаборация KM3NeT анализировала два года. Летом 2024 года в предварительном докладе физики даже не приводили результатов компьютерных симуляций, способных воспроизвести подобную вспышку. Вполне можно допустить, что подходящие для настолько интенсивного сигнала симуляции они просто не успели доделать к летнему докладу, то есть, скорее всего, не готовились к такой мощной вспышке заранее.

Только 12 февраля 2025 года результаты анализа были опубликованы в Nature. В статье ученые привели энергию мюона, рассчитанную по числу откликов фотоумножителей, — 60–230 петаэлектронвольт, то есть порядка 10¹⁷ электронвольт. Кроме того, по задержкам во времени между откликами астрофизики определили направление прихода частицы — оно оказалось неотличимо от горизонтального в пределах систематической ошибки: 0,6 ± 1,5 градуса к горизонту. Среди сотен миллионов событий, зарегистрированных этим же телескопом, аналогов KM3-230213A просто нет. За время работы установки лишь для тысячной доли событий рассчитанные из полученных данных значения энергии дотягивали до диапазона 10¹⁵–10¹⁶ электронвольт, но и у них направления были никак не горизонтальные, а наоборот, почти вертикальные.

Основная цель KM3NeT — прежде всего внеземные, астрофизические нейтрино. Поэтому первым делом физикам надо было доказать, что причина этой яркой вспышки находится не на Земле. Ведь источником мюонов высокой энергии вполне может быть, например, широкий атмосферный ливень — каскад вторичных элементарных частиц, который рождается в атмосфере при взаимодействиях космических лучей с воздухом. В случае KM3-230213A такую версию приходится сразу отбросить. Если верить в Стандартную модель и некоторые об адронных взаимодействиях при высоких энергиях, подобный сценарий образования мюона крайне маловероятен. Даже при самых оптимистичных для этой гипотезы допущениях ожидается атмосферный фон не выше одного нейтрино в несколько сотен лет, поэтому поймать такое событие в первый же год наблюдений в данной конфигурации детектора было бы невероятной удачей.

То есть можно с большой уверенностью говорить, что родительская частица для мюона — это именно желанное астрофизическое нейтрино с энергией по крайней мере не меньше, чем у самого мюона — то есть порядка 10¹⁷–10¹⁸ электронвольт, впервые в истории наблюдений! Стоит оговориться, что, поскольку событие связано с треком мюона, который родился в неустановленной точке и, пролетев массив детекторов насквозь, потратил лишь часть своей энергии в эффективном рабочем объеме, оценка энергии нейтрино — не очень точная и зависит от (довольно спекулятивного) допущения о спектре нейтрино в этой области энергий. При степенном спектре с показателем -2 физики оценили диапазон энергий в 110–790 петаэлектронвольт.

Несмотря на большую погрешность при анализе единственного события, оно вполне вписывается в уже устоявшиеся теоретические представления. Во-первых, уже было ясно, что целый ряд должен гарантированно давать некоторый, пусть и малый, поток нейтрино таких энергий. Во-вторых, было заранее понятно, что ловить такие нейтрино стоит именно с направлений возле горизонта. При более высоких направлениях помешает большой уровень шума от широких атмосферных ливней, а из-под горизонта таких нейтрино не поймаешь — при энергиях выше 10¹⁴ электронвольт и без того редкие частицы, как правило, уже поглощаются в толще Земли.

Физики из KM3NeT на радостном объявлении о регистрации нейтрино не остановились и, кроме статьи в Nature, в тот же день отправили на arXiv.org целых четыре препринта (раз, два, три, четыре), где более детально обсудили возможные сценарии происхождения пойманной частицы.

Противоречие или удача?

После первой эйфории от обновления экспериментального рекорда по энергии астрофизического нейтрино важно было не забыть сверить результаты с коллегами. В KM3NeT не поленились сопоставить данные с измерениями нейтринного телескопа IceCube и обсерватории по изучению космических лучей Pierre Auger, которые вели поиски нейтрино в диапазоне энергий KM3-230213A приблизительно по полтора десятка лет каждый, но .

Идея анализа простая: даже по одному событию, зная время работы детектора и эффективно наблюдаемую площадь неба, можно грубо оценить общий поток нейтрино таких энергий. А затем — добавить аналогичные оценки потока у коллег из других экспериментов и попытаться описать все данные единой моделью.

Оказалось, что в простых моделях спектра — с одной и двумя степенными компонентами — хорошо согласовать их наблюдение с остальными данными не удается. Нестыковка получилась на уровне 2,5–3 стандартных отклонений. Если нанести весь изучаемый набор данных на график, несоответствие становится наглядным: тренд, который виден в потоке IceCube в области 10¹³–10¹⁶ электронвольт, дает поток явно ниже, чем по одной точке «измерил» KM3NeT. 

Кроме того, в области энергии KM3-230213A физики из IceCube и Pierre Auger уже искали нейтрино, но ничего не увидели. Это тоже порождает своего рода статистическую дилемму. Если модель показывает высокий поток для KM3NeT, то не сможет хорошо объяснить, почему никто на других обсерваториях ничего не увидел. И наоборот — модель, которая предскажет ноль событий для IceCube и Pierre Auger, никак не справится с высоким потоком KM3NeT.

Разумеется, пока это единственное такое наблюдение, результат максимально уязвим: без достаточного объема статистики тяжело объективно взвешивать свои выводы, ведь все можно списать на «удачную флуктуацию». Выявленные противоречия, впрочем, могут исчезнуть по мере накопления новых данных и «набора статистики», в том числе и в случае отсутствия новых подобных сигналов. Ведь если время работы детектора увеличивается, а число событий — нет, грубая оценка потока становится меньше, и таким образом приближается к результату других обсерваторий.

И все-таки, кто стрелял?

Если все же поверить, что в случае несогласованностей с моделями статистика крошечной выборки (единственного события за год измерений) работает против нас, а доказательства внеземного происхождения нейтрино — на нас, то возникает следующий вопрос: что в космосе могло стать источником этого рекордного нейтрино? Потенциальные кандидаты должны подходить как по мощности — то есть в целом быть способными излучать нейтрино с энергией в 10¹⁷–10¹⁸ электронвольт, — так и в смысле разумного баланса между числом таких нейтрино, испускаемых в единицу времени, и .

В свете недавнего открытия нейтринного сигнала Млечного Пути наивно привлекательной выглядит идея искать источники в нашей галактике. В KM3NeT проанализировали такой сценарий и выяснили, что частица пришла с направления, практически противоположного центру Млечного Пути (около 216 градусов галактической долготы), и примерно на 10 градусов ниже галактической плоскости.

Уже само направление не выглядит для Галактической гипотезы оптимистично: наиболее вероятным ядром нейтринной активности является именно центр Млечного Пути — там средняя плотность вещества и источников космических лучей наибольшая по сравнению с остальным диском. А вот модельные ожидания по диффузному усредненному нейтринному фону от Галактики явно ниже, чем оценка потока KM3NeT.

Физики, однако, установили, что в направлении неподалеку от нейтринного сигнала все же есть сгущение вещества — молекулярное облако Mon R2 в созвездии Единорога. Теоретически оно могло бы стать мишенью для космических лучей и породить найденное нейтрино. Но и это объяснение не очень хорошо согласуется с наблюдениями. Дело в том, что в такого рода взаимодействиях рождаются не только нейтрино, но и фотоны высоких энергий, а они из Mon R2 почему-то не прилетают. 

Можно допустить, что прямо внутри облака находится очень мощный источник с жестким спектром. Его фотонное излучение поглощается в веществе, а нейтринное мы видим. Однако, как отмечают авторы, это требует слишком неправдоподобных допущений в контексте нашего знания о наиболее мощных источниках космических лучей в Галактике.

Поэтому скорее всего, нейтрино KM3-230213A — внегалактический гость. В таком случае есть более очевидные кандидаты. Среди них, в частности, несколько блазаров — активных галактических ядер, которые своими джетами стреляют в нашу сторону. Теоретически давно известно, что блазары могут производить высокоэнергетичные нейтрино. Более того, для нейтрино наиболее высоких энергий, регистрируемых IceCube, уже экспериментально доказана статистическая корреляция с направлениями на блазары.

Изучив электромагнитные каталоги таких объектов в широком диапазоне длин волн, физики из KM3NeT выделили вокруг направления прихода нейтрино полтора десятка кандидатов в источники.

Среди этих блазаров, по мнению ученых, три объекта заслуживают особого внимания. Самый близкий по угловому расстоянию — источник MRC 0614-083, всего в 0,6 градуса от нужного направления (в пределах систематических погрешностей KM3NeT эта разница практически неразличима). Наблюдения показывают, что его рентгеновская активность росла в последние годы, однако однозначного указания на пик в феврале 2023 года нет.

Вторым перспективным кандидатом в источники физики назвали блазар 0605-085. Он уже не так близко на небе, но это один из ярчайших известных блазаров. У этого объекта была зарегистрирована пикообразная гамма-активность за несколько месяцев до обнаружения нейтрино KM3-230213A.

Наконец, третий потенциальный источник — объект PMNJ0606-0724. Пик его радиоактивности совпал с временем прилета нейтрино и был зарегистрирован независимо сразу двумя радиотелескопами: Owens Valley Radio Observatory в Калифорнии и РАТАН–600 в Карачаево-Черкесии. Разница по времени составила не месяцы, а всего пять дней — вероятность случайного совпадения около 0,26 процента!

Тем не менее утвердить версию о блазарном происхождении нейтрино пока нельзя. В KM3NeT обещают со временем уменьшить статистическую ошибку при определении направления KM3-230213A — это позволит сузить разнообразие вариантов и, возможно, связать нейтрино с блазаром уже более аргументированно.

Пока приходится рассматривать и другие версии. Например, ученые допускают, что это может быть нейтрино космогенного происхождения. Качественно эта версия мало чем отличается от Галактической: все те же космические лучи высоких энергий бьют по мишени и рождают нейтрино, однако происходит это уже на космологических масштабах, в довольно разреженном пространстве, и мишень состоит из фонового излучения, а не из газа.

Здесь стоит только отметить, что любые количественные оценки в таком сценарии чрезвычайно спекулятивны — даже по сравнению с теми, которые были приведены выше. Чтобы оценить поток, в модель нужно заложить спектр и космологическую эволюцию источников космических лучей — при том, что источники разного типа эволюционируют по-разному, а непосредственные наблюдения, как правило, доступны лишь для достаточно малых красных смещений. Кроме того, большое влияние на результат оказывает массовый состав ядер, а он крайне плохо ограничен экспериментально в (наиболее интересной для вычисления) области самых высоких наблюдаемых энергий.

Все эти неопределенности приводят к тому, что итоговая теоретическая оценка потока космогенных нейтрино имеет разброс в несколько порядков, что совсем уж тяжело анализировать при наборе данных из одного-единственного наблюдения.

Одним словом, хоть выстрел и прозвучал, стрелок все еще неизвестен — и едва ли он будет окончательно разоблачен на основе единственного инцидента. Пока остается ждать следующего стапетаэлектронвольтного нейтрино и надеяться, что к тому моменту мы будем лучше понимать, откуда они могут приходить, а статистика уже начнет работать на нас.