Нейтрино в сверхновых способны сломать все наши представления о современной физике

Нейтрино, образующиеся при взрыве сверхновой звезды, могут оказаться настолько экзотическими частицами, что позволят ученым выйти за пределы Стандартной Модели. Успеют ли наши детекторы подготовиться к очередной вспышке сверхновой звезды?Нейтрино образующиеся во время коллапса сверхновой могут приблизить нас к открытию физики за пределами Стандартной модели. На снимке гало от SN1987a, последней обнаруженной из ближайших к нам сверхновых звезд. Изображения из истории науки/Alamy

 Ясной ночью, наблюдая за звездами на черном небе, на ум приходит одно слово: безмятежность. Кажется, что далёкий свет звезд говорит о постоянстве и стабильности. И в то же время, скрытый от невооруженного глаза, космос — это место бесконечных катастроф. Каждые 10 секунд или около того где-то во Вселенной звезда завершает свой жизненный путь и разрушается, а затем взрывается с ужасающей силой.

Хотя такие явления происходят довольно часто, мы до сих пор не до конца понимаем, что именно вызывает коллапс сверхновых. Но есть основания полагать, что ключевую роль в этом процессе играют неуловимые частицы, так называемые нейтрино. Наблюдение за ними во время немыслимо экстремальных процессов внутри сверхновой может привести к обнаружению экзотической материи и сил, которые откроют перед нами более глубокую теорию физики частиц. "В нейтрино сверхновых содержится очень много информации, - считает Йоахим Копп, физик-теоретик из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце (Германия).

Проблема в том, что сверхновые, расположенные достаточно близко к Земле, и потенциально способные раскрыть свои секреты, встречаются крайне редко. Последняя произошла в 1987 году, и 25 нейтрино, которые тогда удалось уловить, до сих пор не дают покоя исследователям. И это объясняет, почему многие астрофизики так рады новому поколению нейтринных детекторов, которые сегодня строятся по всему миру.

Предполагается, что, когда следующая близлежащая звезда станет сверхновой, мы будем во всеоружии. Правда, теперь это гонка со временем, потому что это событие уже давно произошло. "Вы можете себе представить, как это будет потрясающе, когда мы действительно будем наблюдать один из таких всплесков", - говорит Кейт Шолберг, физик-нейтринолог из Университета Дьюка в Северной Каролине. "И как это будет ужасно, если мы пропустим этот момент".

Детектор нейтрино

Нейтрино были теоретически предсказаны задолго до того, как были обнаружены экспериментально. В 1930 году Вольфганг Паули продемонстрировал, что определенная форма радиоактивного распада, известная как бета-распад, как бы теряет энергию, что является явным нарушением известного закона физики, согласно которому энергия не возникает из ничего и не исчезает в никуда, а может только превращаться из одной формы в другую. Чтобы "вернуть" Вселенную в нормальное состояние, Паули выдвинул гипотезу, согласно которой пока еще не обнаруженная частица должна уносить с собой эту самую энергию. Ее назвали нейтрино - по-итальянски "маленький нейтральный", - поскольку считалось, что она не имеет массы и заряда.

Моделирование показало, что пролетающая мимо звезда может выбросить Землю из Солнечной системы

Именно поэтому нейтрино называют призрачными частицами. Десятки миллиардов из них ежесекундно проходят через кончик вашего пальца, оставаясь незамеченными. Они проявляют себя только тогда, когда время от времени взаимодействуют с другими частицами посредством слабых ядерных сил. Это также означает, что их трудно исследовать в рамках экспериментов по физике элементарных частиц. Так что знаем мы о них крайне мало.

И тем не менее, эти столь "стеснительные" частицы, возможно, являются ключом к теории, которая придет на смену Стандартной Модели физики элементарных частиц - нашему нынешнему лучшему описанию фундаментальных частиц и сил природы, которое, как мы знаем, не является совершенным. Согласно стандартной модели, нейтрино — это безмассовые частицы, которые бывают трех разных видов: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Однако ранние эксперименты с нейтрино, которые отслеживали версии этих частиц, порождаемых солнцем, а также космическими лучами в верхних слоях земной атмосферы, обнаружили, что нейтрино могут переходить из одного типа в другой. В связи с этим возникла проблема, поскольку такое изменение формы возможно только при наличии у них массы, происхождение которой нельзя объяснить с помощью стандартной модели.

В попытках объяснить возникновение так называемых нейтринных осцилляций физики придумали новую концепцию, представляющую собой некое дополнение к стандартной модели. Она подразумевает наличие у этих частиц трех дискретных значений массы. В зависимости от энергии нейтрино и расстояния, которое оно преодолело, можно рассчитать вероятность того, что оно изменит свой тип. Такие значения зависят от масс, но, как ни удивительно, три возможные массы не соотносятся с тремя типами частиц. Физикам пока неизвестны и значения этих масс. Таким образом, странные способы передвижения нейтрино и подсказки, которые они могут содержать о взаимодействии с давно разыскиваемыми гипотетическими частицами, продолжают ускользать от взора ученых.

Учитывая это, физики элементарных частиц заняты строительством нескольких многомиллиардных нейтринных экспериментов по всему миру. В Соединенных Штатах это Глубокий подземный нейтринный эксперимент (Deep Underground Neutrino Experiment, DUNE), в Японии - Гипер-Камиоканде (Hyper-K), а в Китае - Цзянмэньская подземная нейтринная обсерватория (JUNO). Эти обсерватории, которые начнут работать в ближайшие десять лет, будут испускать интенсивные пучки нейтрино, созданные в ускорителях частиц, через огромные резервуары с жидкостью. Периодические вспышки света, исходящие из этих резервуаров, будут сигнализировать о взаимодействии нейтрино с жидкостью. Изменяя энергию пучка нейтрино и определяя в каждом эксперименте расстояние, которое преодолел пучок, исследователи надеются точно определить, как нейтрино меняют свою форму.

Будет ли нейтринный детектор DUNE во время готов к сбору данных? Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН)

Эти резервуары с жидкостью также восприимчивы к нейтрино, прибывающим из космоса. Огромная энергия, высвобождающаяся при разрушении звезды, производит гораздо больше нейтрино, чем любой земной ускоритель частиц: 10 в 45 степени, если быть точным. Более того, энергия, передаваемая таким нейтрино, существенно превосходит все, что можно сделать на Земле, что позволяет по-новому взглянуть на то, как нейтрино эволюционируют. "[Нейтрино в сверхновых] — это тот вид нейтрино, обнаружение которых вызывает у меня наибольшее волнение, - говорит Шолберг, сотрудник DUNE.

Вместе с тем это не просто игра с цифрами. Сверхплотные условия внутри ядра коллапсирующей сверхновой звезды также потенциально способны открыть новые частицы и взаимодействия, которые наложат свой отпечаток на сигналы таких событий. Возьмем, к примеру одну из последних близлежащих сверхновых, SN1987a, свет от которой внезапно появился в ночном небе 23 февраля 1987 года. В то время ученые только начинали строить нейтринные детекторы, поэтому приборы в Японии, Соединенных Штатах и тогда еще Советском Союзе зафиксировали лишь небольшое количество нейтрино. "Это было потрясающее открытие. Мы получили огромное количество информации, но это была всего лишь пара десятков нейтрино, - говорит Шолберг. Тем не менее это позволило физикам установить новые рамки существования всех видов новых типов теоретических частиц, включая аксионы, темные фотоны и другой тип нейтрино, известный как "стерильное нейтрино. И все они претендуют на роль вещества, составляющего темную материю, таинственный источник гравитации, о котором говорят ученые, объясняя свои наблюдения за тем, как галактики вращаются, сжимаются и вообще формируются".

"Только представьте себе, сколько нового мы сможем узнать из десятков тысяч событий, которые произойдут при взрыве следующей сверхновой звезды в нашей галактике", - говорит Копп.

Но есть и проблема. По сравнению с ускорителями частиц, которые испускают тщательно контролируемые пучки нейтрино, ядра сверхновых хаотичны и недостаточно изучены. Только точно смоделировав взрывы звезд, физики смогут понять смысл полученных данных о ближайшей сверхновой - и уже есть признаки того, что в этих компьютерных симуляциях не хватает одного важного компонента.

На расстоянии 13,2 миллиарда световых лет обнаружена самая древняя черная дыра, ровесница Вселенной

Вспышка сверхновой неизбежно происходит, когда у гигантской звезды заканчивается ядерное топливо. В считанные миллисекунды некогда неистовое звездное ядро, диаметр которого как правило равен диаметру Земли, перестает вырабатывать энергию и превращается в шар диаметром всего 50 километров. При этом электроны, окружающие ядро, устремляются к центру атома, где они соединяются с протонами и порождают нейтроны. В результате каждой такой реакции образуется нейтрино, которое улетает в космос. "Нейтрино — это фактически доминирующий механизм потери энергии в сверхновой", - утверждает Питер Грэм, физик частиц из Стэнфордского университета (Калифорния).

Но когда ученые пытаются смоделировать вспышку сверхновой с коллапсом ядра на суперкомпьютере, звезда нередко не взрывается. Проблема в том, что, когда ядро разрушается, остальная часть звезды "обрушивается" на него. Когда этот материал попадает в ядро, возникает ударная волна, которая начинает распространяться наружу сквозь падающее вещество. Если эта ударная волна достигает поверхности, звезда взрывается, и рождается сверхновая. Проблема в том, что окружающая материя падает настолько быстро, что движущаяся наружу ударная волна "рассеивается и гаснет". Поэтому в современных моделях она почти никогда не достигает поверхности звезды, а соответственно, не происходит и рождения сверхновой. Все это, говорит о том, что в нашем понимании того, как происходят такие процессы, чего-то не хватает, считают ученые.

В последние годы физикам-теоретикам повезло несколько больше. Если позволить крошечному проценту выброшенных нейтрино быть поглощенным ударной волной, то эта волна приобретает достаточно энергии, чтобы продолжить движение и привести к взрыву звезды. Однако пока попытки сопоставить моделирование с реальными событиями не увенчались особым успехом.

В частности, согласно анализу, опубликованному в июне этого года, самые лучшие варианты моделирования оказались несопоставимы со сверхновой SN1987a. "Мы подумали, что раз все современные теории более или менее согласуются друг с другом в отношении [количества нейтрино, образующихся в сверхновой], то, конечно, они должны совпадать с данными SN1987a", - говорит Ширли Вейши Ли из Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Иллинойсе. "К нашему удивлению, похоже, что простой подсчет обнаруженных нейтрино - самое простое, что можно сделать, - показал определенные расхождения".

"Современные методы моделирования показывают, что в 1987 году мы должны были обнаружить гораздо больше нейтрино. Как ни странно, чем сложнее становились наши компьютерные симуляции сверхновых, тем больше они отличались от единственной реальной сверхновой, данные о которой мы имеем. Похоже, что эта информация может многое сказать о современных симуляциях", - говорит Ли.

Нейтрино, образующиеся внутри взорвавшейся звезды, могут оказаться экзотическими частицами, которые приведут к появлению более глубокой теории физики. Но успеют ли ученые подготовить наши нейтринные детекторы к вспышке ближайшей сверхновой звезды? Симуляция турбулентности внутри сверхсветящейся сверхновой звезды, цветами показана плотность вещества. Кен Чен.

Скрытые силы

"Возможно, недостающий ингредиент — это наше недостаточное понимание нейтрино", - считает Ли. Во-первых, нейтринные осцилляции не реализованы в современных симуляторах. Некоторые расширенные модели физики частиц также включают "секретные" взаимодействия между нейтрино, которые заставляют их рассеиваться друг от друга при чрезвычайно высоких плотностях, наблюдаемых в сверхновой. Такие взаимодействия используются для того, чтобы попытаться объяснить, почему нейтрино обладают массой. Исследование, опубликованное в августе прошлого года, показало, что если подобные процессы действительно имеют место, то это можно наблюдать в ближайшей сверхновой, поскольку такое поведение увеличивает время, в течение которого нейтрино покидают ядро. Вместо того чтобы сразу улететь в космос, они будут сталкиваться друг с другом. Они воздействуют друг с другом весьма нетривиальным образом. Это одна из больших загадок нейтринной физики", - говорит Копп.

Тот факт, что современные модели вспышки сверхновых предсказывают слишком много нейтрино, уже может быть намеком на новые частицы, выходящие за рамки стандартной модели, считает Ли. " Формирование [таких частиц] уберет часть прогнозируемой нейтринной светимости и заставит ее более точно соответствовать данным", - говорит Ли. И так думает не только она одна. Грэм говорит, что частицы темной материи, ускользающие от взрыва незамеченными, "вполне могут оказаться доминирующим механизмом потери энергии сверхновой, причем даже в большей степени, чем нейтрино".

По сути, вспышка сверхновой может быть фабрикой темной материи. В зависимости от массы, такие частицы в изобилии образуются во время коллапса ядра. Затем они мгновенно рассеиваются из ядра. Таким образом, количество нейтрино, попадающих на Землю, будет уменьшаться гораздо быстрее, чем предполагают современные методы моделирования. тот эффект также потенциально способен раскрыть характер темной материи так, как традиционные наблюдения просто не могут. "Сверхновые — это отличные "лаборатории" для поиска частиц [которые взаимодействуют только посредством слабых ядерных сил], - говорит Грэм, - и многие теоретики подозревают, что это и есть темная материя".

Есть еще одна заманчивая перспектива, которая может возникнуть в результате такого нейтринного воздействия. Если мы увидим, что нейтринный взрыв внезапно прекратился, это будет означать, что сама звезда превратилась в черную дыру, так как ничто не может покинуть ее пределы. Наблюдение такого явления в непосредственной близости станет первым для астрономов. Если им удастся выяснить, как происходят эти процессы, это поможет разгадать множество загадок о том, как устроены галактики. Возможно, это даже позволит провести проверку фундаментальных теорий природы. "Мой любимый астрофизический сценарий - это коллапс в черную дыру, и мы сможем все это наблюдать в реальном времени", - говорит Шолберг.

Перспектива увидеть поблизости вспышку сверхновой, несомненно, событие очень захватывающее. Собранные в результате этого явления сведения о нейтрино могут оказаться уникальными как по количеству, так и по качеству, и объяснить, как происходит эволюция сверхновой, а также раскрыть загадочную работу нейтрино, черных дыр и темной материи. Но вот вопрос - согласится ли на такое природа?

Чудо-частица: Аксионы могут объяснить не только темную материю и темную энергию, но и кое-что еще

Бетельгейзе

Есть признаки того, что да. В 2019 году красный сверхгигант Бетельгейзе, находящийся на расстоянии около 700 световых лет от Земли, неожиданно потускнел сразу в три раза. Это вызвало спекуляции о том, что процессы генерации энергии в этой звезде стали нестабильными, что является предвестником сверхновой. Однако к апрелю 2023 года звезда вернулась в свое "обычное" состояние. На этом фоне многие астрономы предположили, что это скорее не знак того, что у звезды закончилось топливо и она находится на грани коллапса, а всего лишь огромное пылевое облако, образовавшееся в результате выброса вещества на поверхность звезды и временно заслонившее нам обзор. Так что нам остается только ждать и наблюдать.

Астрофизики внимательно наблюдают за другими красными звездами-сверхгигантами, расположенными на расстоянии сотен или тысяч световых лет от Земли, в том числе за Эта Киля и Антаресом. Но дело в том, что следующая крупная вспышка сверхновой может в любой момент появиться в любой точке Млечного Пути или соседней галактики.

Шолберг надеется, что следующая вспышка сверхновой в нашей галактике "задержится" как минимум на несколько лет, пока не будет готово новое поколение нейтринных детекторов. "Я мечтаю о том, чтобы в момент появления сверхновой одновременно работали DUNE, JUNO и Hyper-K", - делится Шолберг. Но, с другой стороны, это может произойти гораздо позже, потому что нет никакой гарантии, что хоть одна сверхновая взорвется за время работы этих экспериментов. Проще говоря, все дело в удаче. Если нам это удастся, говорит Копп, то улавливание и изучение нейтрино сверхновых может стать "безусловно, самым важным наследием этих экспериментов, даже превосходящим всю фантастическую нейтринную физику на ускорителях, которую они планируют осуществить".

Посыл ясен: сохраняйте спокойствие и продолжайте строить детекторы.

Красный сверхгигант Бетельгейзе способен пульсировать, намекая на то, что звезда вскоре может превратиться в сверхновую. European Southern Observatory Images ESO/M. Montarges et al.

Успеем ли мы подготовиться к встрече с очередной сверхновой?

Самая последняя из известных нам сверхновых в нашей галактике наблюдалась в 1604 году в созвездии Офиуха и была видна даже днем в течение трех недель. Эту взорвавшуюся звезду наблюдал математик и астроном Иоганн Кеплер. И этот факт лишний раз доказывает, что ночное небо не является чем-то статичным, а постоянно меняется.

Учитывая, что средняя частота появления сверхновых в нашей галактике составляет один раз в 50 лет или около того, создается впечатление, что в Млечном Пути уже давно должен произойти новый взрыв. Одним из возможных причин этого является то, что звезды взорвались на дальней стороне нашей галактики, там, где их свет был бы заслонен густыми облаками космической пыли, расположенными вдоль плоскости галактического диска.

В любом случае, когда Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) и другие нейтринные детекторы заработают, сверхновым негде будет скрыться. Ведь нейтрино, которые они испускают, очень слабо взаимодействуют с другими частицами, поэтому они так или иначе достигнут детекторов на Земле.

"Нейтрино проходят непосредственно через материю галактики, поэтому мы абсолютно точно сможем увидеть сверхновые на другой ее стороне", - говорит Кейт Шолберг из Университета Дьюка (Северная Каролина), участвующая в эксперименте DUNE.

Шолберг работает над инструментом для обработки данных в реальном времени, пытаясь не пропустить ценные сигналы от звездных взрывов. Детекторы DUNE генерируют огромное количество информации, поэтому было бы совершенно непрактично постоянно записывать ее на "всякий случай", в ожидании взрыва близлежащей звезды.

Нейтрино, образовавшиеся при вспышке сверхновой звезды, могут приблизить ученых к открытию Новой физики

Вместо этого прибор автоматически распознает сигнал сверхновой в момент его формирования и начинает процесс записи. За те 10-20 секунд, что длится нейтринный взрыв от такого события, экспериментаторы надеются обнаружить тысячи сверхновых нейтрино. По сравнению с этим число нейтрино, обнаруженных исследователями при взрыве сверхновой SN1987a, произошедшем от звезды в Большом Магеллановом Облаке - близлежащей галактике-соседке нашего Млечного Пути, - ничтожно мало: всего 25.