Как антарктический лед стал детектором космических частиц: первое наблюдение эффекта Аскарьяна

Антарктический лед обладает уникальным физическим свойством: он практически прозрачен для радиоволн. Поэтому физики используют ледяной щит в качестве прибора для изучения Вселенной. Их цель — зафиксировать частицы с настолько высокой энергией, что механизмы их ускорения в космосе до сих пор остаются предметом научных дискуссий.

Как правило, методом поиска таких частиц был оптический. Ученые погружали фотоэлектронные умножители глубоко в антарктический лед (как в проекте IceCube), чтобы регистрировать слабые световые вспышки. Эти вспышки возникают, когда нейтрино — легчайшие элементарные частицы, способные проходить планеты насквозь — сталкиваются с молекулами льда. Однако оптический метод имеет свои недостатки. Свет довольно быстро рассеивается и поглощается во льду. Чтобы зафиксировать ультравысокоэнергетические и крайне редкие частицы, необходим детектор объемом в сотни кубических километров. Построить такую оптическую сеть физически и экономически невозможно.

Именно поэтому исследователи обратились к другому диапазону электромагнитного спектра — радиоволнам. В отличие от видимого света, радиоизлучение способно проходить сквозь километры льда без существенного затухания. Для практической реализации этой идеи была построена установка ARA (Askaryan Radio Array). Она представляет собой сеть радиоантенн, опущенных в пробуренные во льду скважины на глубину до 200 метров.

Изначально аппаратура ARA была настроена на поиск сигналов, приходящих снизу или сбоку — то есть от нейтрино, прошедших сквозь толщу Земли. Но в недавнем анализе данных за 208 дней наблюдений, детекторы зафиксировали тринадцать четких, коротких радиоимпульсов, которые пришли не из глубины, а с поверхности ледника. Ученые поняли, что впервые в естественных условиях зарегистрировали специфическое радиоизлучение, порожденное попаданием высокоэнергетических космических лучей прямо в ледяной панцирь Антарктиды.

Физика процесса: как лед генерирует радиоволны

Этот механизм в 1962 году теоретически описал советский физик Гурген Аскарьян.

Когда частица с экстремально высокой энергией (например, протон) попадает в плотную среду — диэлектрик, которым является лед, она сталкивается с ядром атома среды, инициируя рождение новых частиц. Те, в свою очередь, сталкиваются с другими атомами. Формируется так называемый каскад, или ливень вторичных частиц: электронов, позитронов и фотонов. Этот каскад продвигается сквозь лед почти со скоростью света.

В процессе движения происходит еще одно физическое явление. Позитроны (частицы с положительным зарядом) из каскада быстро находят электроны среды и аннигилируют с ними. Одновременно с этим электроны самой среды вовлекаются в общее движение фронта каскада. В результате на передовом крае этого потока формируется значительный избыток электронов — возникает мощный, быстро движущийся отрицательный заряд.

Поскольку этот плотный сгусток заряда движется сквозь лед быстрее, чем фазовая скорость света в этой же среде, законы электродинамики заставляют его излучать энергию. Формируется когерентное электромагнитное излучение в радиодиапазоне. Именно этот процесс называют эффектом Аскарьяна.

В лабораторных условиях физики еще в начале двухтысячных годов подтвердили этот эффект, направляя искусственные пучки частиц в блоки льда и соли. Но до настоящего времени никто не фиксировал это излучение во льду от природных, случайных космических частиц.

Зарегистрированные антеннами ARA тринадцать событий развивались по следующему сценарию. Тяжелая частица из глубокого космоса врезалась в земную атмосферу над Южным полюсом. Начал формироваться атмосферный ливень. Обычно такие каскады полностью рассеивают свою энергию в воздухе, не достигая земли. Но поверхность Антарктиды в районе установки ARA находится на высоте 2800 метров над уровнем моря. Из-за этой высоты самое плотное ядро каскада не успевало затухнуть и физически ударяло в поверхность льда. В верхних пяти-десяти метрах ледника каскад продолжал движение, формировал избыточный заряд и излучал радиоимпульс, который распространялся вглубь и улавливался антеннами.

Строгий анализ: исключение земных помех

Самая сложная часть работы физиков заключалась в доказательстве их космического происхождения. Поверхность над станцией — это источник постоянного радиошума. Ученым требовалось исключить вероятность того, что антенны поймали излучение от наземного транспорта, коммуникационного оборудования базы или природных статических разрядов.

Во-первых, исследователи изучили временное распределение импульсов. События происходили в разные дни и не образовывали временных скоплений, характерных для работы людей (например, когда рядом проезжает снегоход с работающей электроникой). Двенадцать из тринадцати сигналов были зафиксированы в период полярной ночи, когда активность на поверхности станции минимальна. Кроме того, физики проанализировали метеорологические данные. Известно, что сильный ветер, переносящий сухой снег, способен вызывать трибоэлектрический эффект — накопление и разряд статического электричества, что создает радиопомехи. Анализ показал, что в моменты фиксации импульсов скорость ветра находилась в пределах климатической нормы и не могла быть причиной сигналов.

Во-вторых, важную роль сыграл анализ поляризации радиоволн. Космические каскады генерируют радиоизлучение и во время полета сквозь атмосферу. Однако в воздухе механизм другой: заряженные частицы отклоняются магнитным полем Земли, что задает радиоволнам специфическую поперечную поляризацию. Проанализировав данные с антенн ARA, инженеры установили, что пойманные импульсы имеют строго радиальную поляризацию. Вектор электрического поля был направлен вдоль оси движения самого каскада частиц во льду. Такая геометрическая характеристика является абсолютно уникальной подписью эффекта Аскарьяна внутри плотной среды.

В-третьих, физики исследовали частотный спектр сигналов. Если источником радиоволны является обычный точечный передатчик или искра статического электричества, радиоволны разных частот излучаются в пространство относительно равномерно. Однако каскад частиц — это протяженный, вытянутый объект. Согласно законам дифракции, такой объект излучает волны неравномерно. Высокие частоты концентрируются в узкий конус (под черенковским углом), а низкочастотные волны имеют более широкое угловое распределение. Поскольку антенны ARA разнесены друг от друга на метры, они видели радиоимпульс под немного разными углами. Детекторы зафиксировали именно ту разницу в частотах, которую предсказывала теория: антенны на краю конуса излучения принимали значительно меньше высоких частот. Точечный источник на поверхности льда физически не способен создать такую пространственно-частотную картину.

Совокупность этих физических доказательств позволила ученым отсеять все фоновые шумы. Статистическая значимость того, что зафиксированные импульсы не являются случайной помехой, составила 5.1 сигма. В научной среде это означает безоговорочное признание открытия.

Значение открытия для будущей науки

На первый взгляд может показаться, что фиксация тринадцати космических частиц — не самый важный результат, учитывая существование специализированных наземных обсерваторий, которые регистрируют их тысячами. Однако ценность данного исследования заключается в то, что это важный методологический прорыв, который меняет подход к проектированию детекторов будущего.

До публикации этого анализа вся концепция радиодетектирования частиц в ледниках базировалась на компьютерных симуляциях и расчетах. Исследователи строили дорогостоящие антенные комплексы, предполагая, как именно лед будет взаимодействовать с высокоэнергетическими частицами и как эти сигналы дойдут до аппаратуры. У них не было реального, природного источника излучения внутри самого ледника, чтобы откалибровать приборы и подтвердить их эффективность на практике.

Теперь такой источник найден. Космические лучи, бомбардирующие Антарктиду сверху, выступили в роли идеальных тестовых сигналов с понятной и предсказуемой физикой. Тот факт, что алгоритмы ARA смогли успешно реконструировать направление прихода этих частиц, их поляризацию и энергию, доказывает главное: антенны во льду работают в точном соответствии с теоретическими ожиданиями.

Это открытие подтверждает техническую жизнеспособность проектов следующего поколения. Сейчас в Гренландии разворачивается масштабная радиообсерватория RNO-G, а на Южном полюсе проектируется колоссальное расширение радионадстройки IceCube-Gen2. Эти установки будут охватывать огромные площади. Доказанная на практике способность льда выступать надежным генератором и проводником радиосигналов от субатомных взаимодействий означает, что в ближайшие десятилетия физики получат рабочий инструмент для регистрации частиц самых экстремальных энергий.

Источник:arXiv