В Млечном Пути нашли многочисленные источники нейтрино и составили новую карту галактики

Революционный снимок был сделан захватом нейтрино, когда они проходили через нейтринную обсерваторию IceCube. Это гигантский детектор, скрытый глубоко во льдах Южного полюса.

Смотрите также Открыто новое состояние материи: это может привести к созданию квантовой памяти

Подробности

Нейтрино получили свое название потому что их несуществующий электрический заряд и почти нулевая масса означают, что они почти не взаимодействуют с другими типами материи. Нейтрино могут проходить сквозь обычную материю со скоростью, близкой к скорости света. Однако, замедлив их, физики наконец проследили происхождение частиц за миллиарды световых лет до давних катастрофических звездных взрывов и столкновений космических лучей.

Возможности высокочувствительного детектора IceCube в сочетании с новыми инструментами анализа данных дали нам совершенно новый взгляд на нашу галактику, на которую раньше можно было только намекать. Поскольку эти возможности продолжают совершенствоваться, мы можем с нетерпением ждать того, как эта картина будет появляться с постоянно растущим разрешением, потенциально раскрывая скрытые особенности нашей галактики, которых никогда раньше не видело человечество,
– говорит Дениз Колдуэлл, директор физического отдела Национального научного фонда, финансировавшего исследования.

Как поймать частицу-призрака

Ежесекундно через каждый квадратный сантиметр вашего тела проходит около 100 миллиардов нейтрино. Эти крошечные частицы есть везде – они образуются в огне звезд, в огромных взрывах сверхновых, под действием космических лучей и радиоактивного распада, а также в ускорителях частиц и ядерных реакторах на Земле. Нейтрино, впервые обнаруженные при выходе из ядерного реактора в 1956 году, уступают только фотонам как самые распространенные субатомные частицы во Вселенной.

Несмотря на их распространенность, минимальное взаимодействие беззарядных и безмассовых частиц с другой материей делает нейтрино невероятно сложными для обнаружения. Многие известные эксперименты по обнаружению нейтрино зафиксировали постоянную бомбардировку поступающих к нам от Солнца нейтрино, но этот каскад также маскирует нейтрино из других, более необычных источников, таких как взрывы гигантских звезд, называемых сверхновыми, и ливни частиц, образующихся под действием космических лучей.

Чтобы уловить нейтрино, физики элементарных частиц обратились в IceCube, расположенный на станции Южный полюс Амундсена-Скотта в Антарктиде. Гигантский детектор состоит из более 5 000 оптических датчиков, нанизанных на 86 свисающих в отверстия ниток, просверленных на глубине 2,5 километра в антарктическом льду.

Вид на одну из 86 нитей детекторов IceCube / Фото NSF/B. Gudbjartsson

Хотя многие нейтрино проходят сквозь Землю совершенно беспрепятственно, они иногда взаимодействуют с молекулами воды, создавая побочные продукты – мюоны, которые можно наблюдать посредством вспышек света на датчиках детектора. По узорам, создающим эти вспышки, ученые могут реконструировать энергию, а иногда и источники нейтрино.

Нахождение начальной точки нейтрино зависит от того, насколько четко его направление зафиксировано в детекторе. Некоторые из них имеют очень очевидные начальные направления, в то время как другие создают каскадные "нечеткие световые шарики", омрачающие их происхождение.

Задав более 60 000 обнаруженных нейтринных каскадов, собранных за 10 лет, в алгоритм машинного обучения, физики создали потрясающую картину: изображение с голубым оттенком, показывающее источники нейтрино по всей нашей галактике.

Два изображения галактики Млечный Путь. Верхнее сделано с помощью видимого света, а нижнее — с помощью нейтрино / Ece (S. Brunier)

Наша галактика в различных спектрах наблюдения: радио, оптический, гамма-лучи и нейтрино / Скриншот 24 Канала

Карта показала, что нейтрино в подавляющем большинстве производятся в регионах с ранее выявленным высоким уровнем гамма-излучения., подтверждая прошлые подозрения, что многие частицы-призраки возникают как побочные продукты космических лучей, разбивающихся о межзвездный газ. Картирование нейтрино дало нам совершенно новый способ заглянуть во Вселенную. Теперь пора увидеть, что мы там найдем.

Схематическое изображение положения карты галактики по отношению к Земле / Скриншот 24 Канала