|
Нейтрино может быть связано с новой физикой
|
|
|
|
Нейтрино - это чрезвычайно легкие и электрически нейтральные частицы, которые редко взаимодействуют с обычной материей. Благодаря этим редким взаимодействиям нейтрино могут перемещаться в космосе практически без каких-либо изменений, неся информацию о космологических событиях с высокой энергией, таких как взрывающиеся звезды или сверхмассивные черные дыры.
|
|
|
|
Нейтринный телескоп KM3NeT, обсерватория, расположенная на дне Средиземного моря, недавно обнаружил присутствие нейтрино с чрезвычайно высокой энергией, превышающей 100 ПэВ (пета-электронвольт). Это одно из самых энергичных нейтрино, наблюдаемых на сегодняшний день.
|
|
|
|
Теоретические предсказания предполагали, что другой крупномасштабный детектор нейтрино, а именно детектор IceCube, также будет наблюдать подобные высокоэнергетические нейтринные события. Однако этого не произошло, что потенциально может указывать на какую-то новую физику, такую как новый тип нейтрино или нестандартные взаимодействия, которые не включены в стандартную физическую модель.
|
|
|
|
Исследователи из Университета штата Оклахома задались целью найти возможное объяснение обнаруженному несоответствию между предсказаниями и недавними наблюдениями нейтрино.
|
|
|
|
В их статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, в частности, рассматривается существование стерильных нейтрино — гипотетических нейтрино, которые не взаимодействуют с помощью обычных сил во Вселенной, — а также осцилляции нейтрино, квантовый эффект, который заставляет нейтрино менять тип во время их перемещения в пространстве.
|
|
|
|
|
|
|
"Наша статья была основана на обнаружении нейтрино сверхвысоких энергий детектором KM3NeT", - рассказали Ведран Брдар и Дибья С. Чаттопадхьяй, соавторы статьи Phys.org.
|
|
|
|
"Обнаружение нейтрино с энергией 220 ПэВ детектором KM3NeT было особенно неожиданным, поскольку детектор IceCube не наблюдал событий сравнимой энергии, несмотря на более длительный период сбора данных и большую эффективную площадь".
|
|
|
|
Недавняя работа Брдара и Чаттопадхьяя также основана на более ранней статье, опубликованной в Physics Letters B. В этой статье была предпринята попытка количественно оценить с помощью статистических методов, насколько маловероятно, что IceCube не обнаружит каких-либо подобных событий.
|
|
|
|
"Это более раннее наблюдение побудило нас исследовать, какие сценарии, выходящие за рамки стандартной модели (BSM), могут устранить противоречие между наблюдением KM3NeT и отсутствием подобных событий в IceCube", - сказали Брдар и Чаттопадхьяй.
|
|
|
|
"В более широком смысле, мы хотели исследовать, могут ли нейтринные телескопы уже начать исследовать новую физику при чрезвычайно высоких энергиях, значительно превосходящих те, которые доступны в наземных экспериментах".
|
|
|
|
Основной целью недавнего исследования команды было изучение возможности того, что событие KM3NeT может быть убедительно объяснено физикой, выходящей за рамки стандартной модели.
|
|
|
|
В своей статье исследователи сосредоточили особое внимание на гипотетических сценариях, выходящих за рамки стандартной модели, в которых намеки на новую физику проявлялись бы только при очень высоких энергиях около 100 ПэВ или выше.
|
|
|
|
"Проще говоря, мы задались вопросом: в чем самое важное различие между KM3NeT и IceCube для этого мероприятия?" объяснили Брдар и Чаттопадхьяй.
|
|
|
|
"Мы обнаружили, что для временного источника нейтринный сигнал, достигающий KM3NeT, пройдет примерно через 150 км поверхности Земли (скалы и морскую воду), прежде чем достигнет детектора, в то время как соответствующий путь для IceCube будет проходить всего около 14 км по антарктическому льду. Это различие наводило на мысль, что любое жизнеспособное объяснение с точки зрения новой физики будет включать механизм, запускаемый воздействием вещества во время распространения нейтрино."
|
|
|
|
После теоретического изучения различных теоретических возможностей Брдар и Чаттопадхьяй в конечном итоге сосредоточились на конкретных сценариях, связанных со стерильными нейтрино. В частности, они рассмотрели случаи, когда превращение стерильных нейтрино в активные посредством нейтринных колебаний усиливается в присутствии вещества внутри Земли.
|
|
|
|
"Активные нейтрино - это те нейтрино, с которыми мы уже знакомы, которые иногда взаимодействуют с веществом и могут быть обнаружены, в то время как стерильные нейтрино - это гипотетические нейтрино, которые в первую очередь можно исследовать косвенно, путем их смешивания с активными нейтрино", - сказали Брдар и Чаттопадхьяй.
|
|
|
|
"Идея, которую мы предложили, заключается в том, что преимущественно стерильный поток нейтрино может создать много активных нейтрино в KM3NeT. Из-за значительно большего пути прохождения через вещество это увеличило бы ожидаемый сигнал в KM3NeT по сравнению с IceCube, что позволило бы устранить аномалию".
|
|
|
|
Исследователи рассмотрели две различные теоретические модели, связанные со стерильными нейтрино: модель резонанса, вызванного веществом, и модель нестандартного взаимодействия вне диагонали. Эти две модели могли бы объяснить обнаруженное нейтринное событие сверхвысокой энергии с помощью различных типов новых физических взаимодействий. Тем не менее, они оба подтвердили бы предсказанное авторами улучшение.
|
|
Углубление понимания наблюдений нейтрино сверхвысоких энергий
|
|
|
|
Это недавнее исследование предлагает правдоподобное объяснение нейтринного события сверхвысоких энергий в сети KM3NeT, которое рассматривает физику вне рамок стандартной модели. Исследователи считают, что их статья вносит два заметных вклада.
|
|
|
|
"Во-первых, мы подчеркиваем, что аномальное отсутствие сопоставимых событий сверхвысокой энергии в IceCube уже может указывать на новую физику, существующую при чрезвычайно высоких энергиях", - сказали Брдар и Чаттопадхьяй.
|
|
|
|
"Во-вторых, мы показываем, что любой механизм BSM, способный устранить эту аномалию, должен основываться на разнице в количестве вещества, через которое проходят нейтрино до обнаружения, а это означает, что эффект должен быть связан с эффектами, вызванными веществом".
|
|
|
|
В более широком масштабе усилия команды предполагают, что наблюдения нейтрино сверхвысоких энергий могут помочь исследовать фундаментальную физику элементарных частиц в масштабах энергии, которые выходят за рамки тех, которые доступны с помощью обычных экспериментальных инструментов. В рамках своих следующих исследований Брдар и Чаттопадхьяй планируют продолжить изучение физических явлений при энергиях около 100 ПэВ или выше.
|
|
|
|
"В настоящее время мы проводим более детальный анализ, исследуя связи между стерильными нейтрино и активными нейтринными ароматами в этих режимах с экстремальными энергиями", - добавили Брдар и Чаттопадхьяй.
|
|
|
|
"Еще одним интересным направлением будет определение того, какие эксперименты следующего поколения могут быть чувствительны к сигнатурам таких сценариев BSM, и какие виды астрофизических источников потенциально могут генерировать потоки стерильных нейтрино высокой энергии. По мере того как в таких экспериментах, как KM3NeT и IceCube, будет обнаруживаться все больше нейтрино сверхвысоких энергий, мы сможем лучше проверить эти идеи".
|
|
|
|
Источник
|
