Учёные впервые ограничили долю протонов в космических лучах сверхвысоких энергий с помощью IceCube

На этом художественном изображении, основанном на реальной фотографии лаборатории IceCube, показано событие с высокой энергией в толще льда под поверхностью Антарктиды. Это одно из трёх событий, обнаруженных в данном исследовании, которое также является самым высокоэнергетическим нейтринным событием, зарегистрированным IceCube. Автор: Александра Нельсон, IceCube. Оригинальное фото сделано Фелипе Педреросом, IceCube/NSF

Нейтрино — это субатомные частицы без заряда и с очень маленькой массой, которые слабо взаимодействуют с другой материей во Вселенной. Из-за их слабого взаимодействия с другими частицами эти частицы печально известны своей сложностью в обнаружении.

Особенно трудно обнаружить нейтрино сверхвысоких энергий — с энергией выше 10¹⁶ электронвольт (эВ). Физические теории предполагают, что такие нейтрино могут возникать в результате очень энергоёмких астрофизических явлений, таких как взаимодействия космических лучей сверхвысоких энергий.

Коллаборация IceCube, крупная группа исследователей из различных научных институтов по всему миру, занимается поиском нейтрино сверхвысоких энергий уже более десяти лет. Их последние результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, впервые установили ограничения на долю протонов в космических лучах сверхвысоких энергий, используя данные обсерватории IceCube, а также определили пределы диффузного потока нейтрино сверхвысоких энергий.

«IceCube — это прежде всего огромный детектор нейтрино, — рассказал Phys.org Максимилиан Майер, соавтор исследования. — Поэтому для меня поиск самых высокоэнергетических нейтрино, создаваемых Вселенной (космогенных нейтрино), естественно, очень увлекателен. IceCube уже более десяти лет проводит такие поиски. Если мы не видим эти нейтрино, мы можем установить строгий предел их количества во Вселенной».

Для поиска нейтрино эксперимент IceCube использует крупнейший в мире детектор, расположенный на Южном полюсе глубоко в антарктическом льду. Этот детектор, известный как Обсерватория нейтрино IceCube, регистрирует черенковское излучение (голубой свет), испускаемое при прохождении частиц через лёд. В принципе, поиск нейтрино сверхвысоких энергий с помощью этого детектора должен быть довольно простым, поскольку он по сути выявляет самые яркие события в собранных данных.

«Однако, глядя вверх, мы видим много фона от атмосферных ливней космических лучей, — пояснил Майер. — Мы можем справиться с этим, восстанавливая направление прихода частиц и анализируя различия в их энерговыделении по сравнению с ожидаемым сигналом нейтрино. Мы изучили 12,6 лет данных, содержащих около триллиона событий, и отфильтровали их до трёх наиболее перспективных кандидатов».

Проанализировав более десяти лет данных, собранных детектором IceCube, исследователи не обнаружили событий, достаточно «энергичных», чтобы их можно было связать с космогенными нейтрино — частицами, которые они искали. Космогенные нейтрино — это нейтрино сверхвысоких энергий, возникающие при взаимодействии космических лучей сверхвысоких энергий с фотонными полями (например, с реликтовым излучением).

Хотя коллаборация IceCube не обнаружила искомых событий, за последнее десятилетие она установила всё более строгие ограничения на поток этих нейтрино. Их последние результаты представляют собой дальнейший шаг к их обнаружению, так как могут улучшить отбор событий с нейтрино сверхвысоких энергий и тем самым повысить шансы их наблюдения.

«В итоге мы не нашли нейтрино с экстремальными энергиями, — объяснил Майер. — Эти нейтрино, как мы ожидаем, тесно связаны с космическими лучами сверхвысоких энергий (UHECR), поскольку они создаются при взаимодействии протонов с фоновым излучением Вселенной.

«Это означает, что, не обнаружив нейтрино, мы можем ограничить долю протонов в составе UHECR, что мы и сделали — впервые с помощью IceCube. Мы можем ограничить долю протонов величиной менее ~70%, если источники космических лучей распределены так же, как места образования новых звёзд во Вселенной».

Последние усилия коллаборации IceCube помогут в будущих поисках нейтрино сверхвысоких энергий, особенно тех, что возникают в результате взаимодействия космических лучей с реликтовым излучением. Конечная цель эксперимента — успешно обнаружить эти нейтрино и лучше понять их свойства.

«Мы можем приблизиться к этой цели, ещё больше повысив эффективность IceCube в обнаружении космогенных нейтрино, например, с помощью машинного обучения, — добавил Брайан Кларк. — Но главное желание здесь — это IceCube-Gen2.

«Это запланированное расширение IceCube, которое увеличит чувствительность к космогенным нейтрино примерно в 30 раз (при условии аналогичного периода сбора данных). Это позволит нам обнаруживать космогенные нейтрино, даже если доля протонов в UHECR составляет порядка процента».

Дополнительная информация: R. Abbasi et al, Search for Extremely-High-Energy Neutrinos and First Constraints on the Ultrahigh-Energy Cosmic-Ray Proton Fraction with IceCube, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.135.031001. На arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2502.01963