Учёные связали недавнее обнаружение сверхэнергичного нейтрино с проявлением новой физики

Недавнее обнаружение нейтрино с рекордно высокой энергией обсерваторией KM3NeT, расположенной на дне Средиземного моря, вызвало оживлённую дискуссию в научном сообществе, поскольку оно может указывать на существование явлений за пределами Стандартной модели физики. Детектор зафиксировал частицу с энергией, превышающей 100 петаэлектронвольт (пэВ), что делает её одним из самых энергичных нейтрино, когда-либо наблюдавшихся учёными. Интрига ситуации заключается в том, что другой крупномасштабный нейтринный телескоп, IceCube, расположенный в Антарктиде, несмотря на более длительный период наблюдений и большую эффективную площадь, не зарегистрировал событий сопоставимой энергии. Это несоответствие между теоретическими предсказаниями и фактическими данными побудило исследователей из Университета штата Оклахома, Ведрана Брдара и Дибью С. Чаттопадхьяя, заняться поиском возможного объяснения, которое может лежать в области "новой физики".

В своей работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, учёные предположили, что ключ к разгадке может крыться в различии условий прохождения нейтрино сквозь вещество нашей планеты. Они обратили внимание, что нейтрино, зафиксированное KM3NeT, прежде чем попасть в детектор, преодолело сквозь толщу Земли (горные породы и морскую воду) около 150 километров. В то же время путь аналогичных частиц до детектора IceCube составляет лишь около 14 километров сквозь антарктический лёд. Это различие, по мнению физиков, может активировать механизмы, не описанные в Стандартной модели.

В качестве основного объяснения исследователи рассматривают гипотетическое существование так называемых стерильных нейтрино — частиц, которые, в отличие от известных нам "активных" нейтрино, не участвуют в обычных взаимодействиях и могут быть обнаружены лишь косвенно. Согласно предложенной модели, изначально доминирующий поток стерильных нейтрино от астрофизического источника, проходя сквозь вещество Земли, мог преобразовываться в активные нейтрино за счёт эффекта осцилляции. Этот процесс преобразования значительно усиливается благодаря наличию материи (эффект Микеева — Смирнова — Вольфенштейна). Более длинный путь через вещество к детектору KM3NeT привёл бы к гораздо более сильной конверсии и, как следствие, к большему числу регистрируемых событий по сравнению с IceCube, что и объясняет наблюдаемую аномалию.

Учёные рассмотрели две теоретические модели, включающие стерильные нейтрино: модель резонанса, индуцированного веществом, и модель с недиагональными нестандартными взаимодействиями. Обе они, хотя и опираются на разные типы гипотетических взаимодействий, приводят к предсказанному эффекту усиления сигнала для KM3NeT. Авторы работы подчёркивают, что их исследование не только предлагает убедительное объяснение регистрации единичного события, но и открывает более широкую перспективу: наблюдения нейтрино сверхвысоких энергий могут стать уникальным инструментом для изучения фундаментальной физики в масштабах энергий, недостижимых для земных ускорителей. В будущем учёные планируют продолжить анализ связей между стерильными и активными нейтрино в этих экстремальных режимах, а также определить, какие эксперименты следующего поколения смогут лучше всего проверить их гипотезы по мере накопления новых данных детекторами KM3NeT и IceCube.