Бильярдный шар щёлкает о другой в полной темноте. Звук удара и стук упавших в лузу шаров — вот и всё, что слышно. Примерно так физики изучают взаимодействия элементарных частиц при энергиях, которые ни один земной ускоритель не способен воспроизвести. В новой работе астрофизики превратили целые галактики в гигантские лаборатории, а детекторами стали кубические километры антарктического льда и воды Средиземного моря.
Ключевая величина здесь — сечение взаимодействия. Это мера вероятности того, что две частицы, пролетая мимо, всё же зацепятся друг за друга. Чем больше сечение, тем чаще происходят столкновения. В земных экспериментах, например на Большом адронном коллайдере, эту величину измеряют напрямую, сталкивая пучки частиц. Но когда энергии превышают возможности коллайдера, приходится искать другие способы. Авторы работы предложили использовать нейтрино — почти неуловимые частицы, которые рождаются в самых бурных уголках Вселенной и беспрепятственно долетают до Земли.
Идея метода похожа на детективную задачу. У каждого источника нейтрино — будь то активное ядро далёкой галактики или центр нашего Млечного Пути — есть известная мощность: сколько космических лучей он испускает. Также можно оценить плотность вещества-мишени, с которым эти лучи сталкиваются. Зная эти вводные и измерив, сколько нейтрино долетело до детектора, можно вычислить, насколько эффективно происходили столкновения. Единственной неизвестной в уравнении остаётся то самое сечение взаимодействия.
Учёные применили свою методику к реальным данным: к знаменитому блазару TXS 0506+056, который в 2017 году впервые связали с нейтринным сигналом, к активной галактике NGC 1068, к излучению из плоскости нашей Галактики и даже к недавнему сверхэнергичному событию, зарегистрированному детектором KM3NeT в Средиземном море. В результате удалось наложить ограничения на сечения в широчайшем диапазоне энергий — от скромных 1 ГэВ до колоссальных 100 000 ГэВ. Для сравнения, Большой адронный коллайдер достигает лишь 13 000 ГэВ. Так космические нейтрино становятся инструментом проверки теорий там, где земная техника пока бессильна. И точно так же, как звук удара в темноте выдаёт столкновение шаров, эти невидимые гости из космоса рассказывают о силах, правящих материей на пределе возможного.
Детектор IceCube на Южном полюсе ищет нейтрино с помощью 5160 световых датчиков, вмороженных в антарктический лёд на глубине до 2,5 километров.
В романе Станислава Лема «Глас Господа» учёные пытаются расшифровать нейтринный сигнал из космоса, который оказывается посланием иной цивилизации.