Недостроенный детектор на дне моря поймал нейтрино, которое не смог поймать IceCube. Новая физика или случайность?

В феврале 2023 года детектор ARCA — часть строящегося на дне Средиземного моря нейтринного телескопа KM3NeT — зарегистрировал частицу экстремальной энергии. Мюон прошил установку насквозь и активировал примерно треть всех сенсоров. Энергию породившего его нейтрино коллаборация оценила в диапазоне от 72 до 2600 ПэВ, с наиболее вероятным значением около 220 ПэВ. Для понимания масштаба: один ПэВ — это миллион миллиардов электронвольт, то есть в сотни раз больше того, что достигается на самом мощном ускорителе в мире. Прежний рекорд, установленный IceCube, составлял примерно 1 ПэВ. Новое событие превысило его более чем в сто раз.

Почему молчит IceCube

IceCube — нейтринная обсерватория на Южном полюсе, работающая с 2011 года. Это кубический километр антарктического льда, начинённый более чем пятью тысячами оптических сенсоров. KM3NeT пока не достроен: из запланированных 230 вертикальных гирлянд с сенсорами к моменту регистрации события было установлено лишь 21. Чувствительная площадь IceCube на энергиях в сотни ПэВ в десятки раз превышает площадь KM3NeT. Время работы — примерно в десять раз больше. Суммарное преимущество IceCube — примерно в 280 раз.

То есть, если событие такой энергии произошло в маленьком и новом детекторе один раз, то в большом и давно работающем детекторе подобных событий должно было набраться десятки. Но IceCube не зарегистрировал ни одного нейтрино с энергией выше 10 ПэВ.

Этому противоречию посвящены две работы, вышедшие в 2026 году. Первая — статья Ширли Вейши Ли с соавторами в журнале Physics Letters B, где проведён подробный статистический анализ. Вторая — статья Ведрана Бдара и Дибьи Чаттопадхьяя в Physical Review Letters, предлагающая объяснение с привлечением новой физики.

Степень противоречия

Группа Ли проверила три варианта объяснения и для каждого оценила, насколько велико расхождение между наблюдениями двух детекторов. В физике расхождения принято измерять в единицах стандартного отклонения — «сигмах». 3σ означает, что вероятность случайного совпадения — доли процента. 5σ — порог, начиная с которого результат считается открытием.

Первый вариант: нейтрино из общего космического фона. IceCube за годы работы обнаружил постоянный поток нейтрино, приходящих со всех направлений. Его интенсивность падает с ростом энергии по определённому закону. Если продлить этот закон в область сотен ПэВ, то за время работы KM3NeT ожидается около 0,005 подобных событий — то есть увидеть одно такое событие уже маловероятно. Но главная проблема в другом: если допустить, что поток действительно настолько силён, что одно событие в KM3NeT ожидаемо, то IceCube за свою историю должен был зарегистрировать порядка 75 аналогичных событий. Расхождение — 3,5σ.

Второй вариант: космогенные нейтрино. Это нейтрино, которые теоретически должны рождаться при столкновении космических лучей предельных энергий с реликтовым излучением — слабым микроволновым фоном, заполняющим всю Вселенную. Такие нейтрино предсказаны в 1960-х годах, но до сих пор не обнаружены. Авторы проверили три модели космогенного потока. Ни одна из них не согласуется одновременно с одним событием в KM3NeT и нулём событий в IceCube. Те модели, которые допускают достаточный поток для KM3NeT, уже исключены данными IceCube. Те, которые совместимы с данными IceCube, предсказывают ничтожную вероятность события в KM3NeT. Расхождение — от 3,1σ до 3,6σ.

Третий вариант: конкретный источник на небе. На сверхвысоких энергиях Земля поглощает нейтрино, проходящие через её толщу. Поэтому чувствительность детектора зависит от того, из какого направления приходит сигнал. Если бы источник находился в области неба, доступной KM3NeT, но «закрытой» Землёй для IceCube, противоречия бы не было. Однако геометрия конкретного события этого не позволяет: направление, откуда пришло нейтрино KM3-230213A, является зоной высокой чувствительности для обоих детекторов. Расхождение для постоянного источника — 2,9σ. Для источника, вспыхнувшего недавно и работавшего только в период наблюдений KM3NeT, — 2,0σ.

Сама коллаборация KM3NeT оценила расхождение мягче — на уровне 1,9σ. Авторы объясняют это различиями в статистической процедуре и считают свой подход более строгим.

Общий вывод первой работы: ни один из известных астрофизических потоков не объясняет событие KM3-230213A без конфликта с данными IceCube. Наиболее вероятное объяснение в рамках известной физики — нейтрино пришло от нового, ранее не наблюдавшегося источника.

Другое объяснение: 147 километров породы

Вторая работа идёт дальше и предлагает объяснение, выходящее за рамки Стандартной модели физики частиц.

Отправная точка — различие в геометрии. Событие KM3-230213A зарегистрировано почти с горизонта: нейтрино пришло под углом 0,6° к горизонту KM3NeT. Прежде чем достичь детектора, частица прошла сквозь примерно 100 километров горных пород и 47 километров морской воды — в сумме 147 километров плотного вещества. Для IceCube то же направление на небе соответствует примерно 8° выше горизонта, и нейтрино проходит через всего лишь около 14 километров антарктического льда. Разница — в десять раз.

В стандартной физике эта разница не имеет значения: нейтрино на таких расстояниях поглощается незначительно.

Но Бдар и Чаттопадхьяй предполагают, что источник испускал не обычные, а стерильные нейтрино — гипотетическую разновидность нейтрино, которая вообще не взаимодействует с веществом и потому невидима для любого детектора. Существование стерильных нейтрино допускается многими расширениями Стандартной модели, хотя экспериментально они пока не обнаружены.

Смысл гипотезы: стерильные нейтрино, пролетая через вещество Земли, частично превращаются в обычные мюонные нейтрино. Это явление называется осцилляцией — самопроизвольным превращением нейтрино одного типа в другой. Осцилляции нейтрино — доказанный физический эффект, за их открытие присуждена Нобелевская премия 2015 года. Однако осцилляции с участием стерильных нейтрино пока не наблюдались.

Вероятность превращения стерильного нейтрино в мюонное при прохождении через вещество зависит от длины пути. Чем длиннее путь — тем больше вероятность. Поскольку путь до KM3NeT через вещество в десять раз длиннее, чем до IceCube, вероятность превращения может отличаться примерно в сто раз (она растёт пропорционально квадрату длины пути при определённых условиях). Этот множитель способен компенсировать трёхсоткратное преимущество IceCube в экспозиции: KM3NeT получает больше мюонных нейтрино, рождённых внутри Земли, а IceCube практически ничего не получает, потому что 14 километров льда недостаточно для заметного превращения.

Два предложенных механизма

Осцилляции стерильных нейтрино в обычные на расстоянии ~150 километров при энергии ~200 ПэВ не происходят сами по себе: при известных параметрах осциллирующая длина слишком велика. Авторы предложили два механизма, которые этот разрыв устраняют.

Первый механизм: стерильное нейтрино взаимодействует с нуклонами (протонами и нейтронами) через новую силу — через гипотетический лёгкий бозон, связанный с барионным зарядом. Это взаимодействие создаёт дополнительный потенциал в веществе, который резко усиливает осцилляции на определённой длине — возникает резонанс. Резонансная длина при допустимых значениях параметров нового взаимодействия как раз составляет порядка 150 километров. Для стерильного нейтрино с массой около 3 килоэлектронвольт вероятность конверсии в мюонное нейтрино при прохождении 147 километров породы составляет порядка одного процента. На 14 километрах льда — в сто раз меньше.

Второй механизм: в уравнения, описывающие поведение нейтрино в веществе, добавляется дополнительное слагаемое, смешивающее стерильное и мюонное нейтрино. Такие поправки называются нестандартными нейтринными взаимодействиями. Этот вариант не требует точной настройки параметров под резонанс — вероятность конверсии просто растёт с длиной пути. Но нужные значения параметров находятся вблизи экспериментальных ограничений.

Что нужно от источника

Оба механизма требуют, чтобы астрофизический источник испускал преимущественно стерильные нейтрино. Это возможно, если источник окружён настолько плотной оболочкой, что обычные нейтрино поглощаются в ней, а стерильные — проходят свободно. Кандидаты — определённые типы гамма-всплесков, в которых выброс вещества не пробивает внешнюю оболочку звезды, или активные ядра галактик с большой плотностью вещества на луче зрения.

Поиск электромагнитных сигналов (гамма-излучения, рентгена, радиоволн) из направления события KM3-230213A не дал однозначного результата. Это согласуется с гипотезой об источнике, закрытом для электромагнитного излучения.

Что следует из обоих анализов

Обе группы согласны в главном: наблюдение KM3-230213A и отсутствие аналогичных событий в IceCube требуют объяснения. Расхождение составляет от 2 до 3,6 стандартных отклонений — достаточно, чтобы требовать серьёзного рассмотрения, но недостаточно для однозначных утверждений.

Объяснение через новый астрофизический источник требует минимума допущений, но не отвечает на вопрос, почему именно KM3NeT его увидел первым. Объяснение через стерильные нейтрино снимает это противоречие, но вводит гипотетические частицы и взаимодействия, которые ещё предстоит обнаружить или исключить.

Проверка возможна. KM3NeT продолжает строиться: каждая новая гирлянда увеличивает число сенсоров и чувствительную площадь. Проект IceCube-Gen2 увеличит объём антарктического детектора в десять раз. На Байкале наращивает мощность Baikal-GVD, в Тихом океане проектируется P-ONE. Если подобные события повторятся и обнаружится, что их число зависит от длины пути нейтрино через породу, это будет указанием на стерильные нейтрино. Если события будут наблюдаться одинаково в детекторах с разной геометрией, объяснение останется астрофизическим. В любом случае для ответа нужно больше данных — и больше детекторов в разных точках планеты.

Источник:Physical Review Letters