Аномальные нейтрино объяснили отражением космических лучей от снега под Антарктидой

Физики из США предположили, что радиоволновые следы “подземных” нейтрино сверхвысоких энергий, которые зафиксировал российско-американский проект ANITA, могли быть следствием не реальных частиц, а подледных озер или залежей снега в толще льдов Антарктиды. Результаты исследования опубликовал научный журнал Annals of Glaciology.

“Мы предполагаем, что эти сигналы породили залежи фирна – спрессованного снега, который вероятно находится под толщей антарктического льда. Он менее плотен, чем лед, и перепады в плотности между ними могли повлиять на то, как от него отражаются радиоволны, порожденные обычными космическими лучами”, – объяснил один из авторов работы, доцент Технологического института Виргинии (США) Айэн Шумейкер.

Благодаря тому, что нейтрино очень слабо взаимодействуют с любым встречным веществом, они могут “путешествовать” на огромные расстояния. Изучение этих частиц может многое рассказать о космических событиях, которые недоступны современным приборам.

Как правило, ученые регистрируют нейтрино не напрямую, а по “следам” в виде электромагнитных волн, которые возникают после того, как эти частицы проходят через Землю. Этим занимается, в частности, нейтринная обсерватория IceCube, детекторы которой находятся непосредственно в антарктических льдах, или российско-американский проект ANITA, который с помощью аэростатов отслеживает следы нейтрино сверхвысоких энергий, которые “нарушают” так называемый предел Грайзена–Зацепина–Кузьмина.

Под этим термином физики понимают количество энергии – около восьми джоулей, – которая может быть у нейтрино или космического излучения, движущегося к Земле от далеких галактик. Материя, которая “нарушает” этот предел, начинает взаимодействовать с микроволновым фоновым излучением Вселенной – своеобразным “эхом” Большого взрыва, формировать новые частицы и терять энергию.

Шансы зарегистрировать эти частицы очень низки. Поэтому участники проекта ANITA превратили в гигантский детектор подобных нейтрино всю Антарктиду, пользуясь эффектом, который в 1962 году предсказал советский физик Гурген Аскарян. Он заметил, что при попадании в лед подобные частицы “должны” двигаться быстрее скорости света. Однако поскольку это невозможно, они будут “тормозить”, вырабатывая по мере движения через толщу ледника пучки радиоволн. Именно эти радиоволны фиксируют приборы с аэростатов ANITA.

В 2018 году ученые этого проекта заявили об удивительном открытии. В начале зимы 2015 года они зафиксировали следы сразу трех тау-нейтрино сверхвысоких энергий, которые значительно нарушали предел Грайзена–Зацепина–Кузьмина. Это открытие стало первым свидетельством в пользу существования четвертого типа этих частиц, так называемых “стерильных нейтрино”.

Как отмечает Шумейкер, это заявление участников ANITA сразу вызвало среди физиков множество споров. Дело в том, что две частицы из трех, следы следы которых зафиксировали приборы ANITA, предположительно двигались почти под прямым углом к поверхности Земли. Иными словами, эти частицы должны были пройти через всю толщу планеты, что многие ученые посчитали невозможным.

Изучив то, как радиоволны, порождаемые нейтрино и космическими лучами, будут взаимодействовать с материей ледового щита Антарктиды, американские физики-теоретики предположили, как могла появиться подобная аномалия.

Шумейкер объясняет, что, двигаясь через среду с низким коэффициентом преломления и отражаясь от поверхности с высоким коэффициентом преломления, пучки электромагнитных волн меняют свою поляризацию. В частности, это происходит, если радиоволны возникают в воздухе и затем отражаются от поверхности льда.

Благодаря этой особенности ученые могут отличать сигналы, порожденные “подземными” нейтрино, от вспышек, вызванных обычными космическими лучами, которые попадают в атмосферу Земли из космоса. В первом случае у радиоизлучения будет один тип поляризации, а во втором – ее зеркальная версия.

Шумейкер и его коллеги выяснили, что это правило может нарушаться, если внутри толщи ледников Антарктиды есть залежи фирна – спрессованного снега, или же подледные озера, которые занимают примерно 7% от общей площади южной ледовой шапки Земли. Благодаря низкой плотности, они будут порождать такие же сигналы при взаимодействии с атмосферными космическими лучами, как и настоящие “подземные” нейтрино.

Сами физики склоняются в сторону залежей снега, так как подледные озера вряд ли могут занимать столь большую площадь. При этом ученые не исключают и того, что сигналы, открытые ANITA, действительно могли быть следствием реальных нейтрино сверхвысоких энергий. Последующие наблюдения такого рода, а также точные оценки объемов и площади залежей фирна, помогут понять, какая теория ближе к истине.