Космические нейтрино превращают телескопы в «гигантские коллайдеры»

Физики из Университета Висконсина в Мэдисоне и Аргоннской национальной лаборатории, Мичиганского государственного университета, Фермилаб и Института Кавли при Чикагском университете предложили рассматривать крупные нейтринные телескопы как «Большие нейтринные коллайдеры» (Large Neutrino Colliders, LνC) — установки, в которых естественные космические нейтрино играют роль пучков элементарных частиц.

Идея основана на том, что космические нейтрино с энергией выше 100 петаэлектронвольт (1 ПэВ = 10¹⁵ эВ) при столкновении с нуклонами в детекторе создают энергию в системе центра масс выше 14 ТэВ — предела Большого адронного коллайдера (LHC). Это означает, что такие установки способны изучать процессы, недоступные существующим ускорителям.

В расчётах использованы последние данные по потокам высокоэнергичных и ультравысокоэнергичных нейтрино, зафиксированных обсерваториями IceCube (США), KM3NeT (Средиземное море) и Baikal-GVD (озеро Байкал). Авторы показывают, что даже при скромной светимости (числе столкновений в единицу времени) нейтринные телескопы способны обнаруживать новые тяжёлые частицы — например, лептоглюоны и лептокварки, предсказанные теориями за пределами Стандартной модели.

Расчёты показывают, что телескопы с объёмом чувствительного вещества от 1 до 30 кубических километров могут достичь чувствительности к массовым шкалам от 1 до 10 ТэВ и выше, что сопоставимо или даже превосходит возможности LHC и его будущей версии HL-LHC. Для установки объёмом 30 км^³ (проект HUNT) предел достижимых энергий в системе центра масс превышает 50 ТэВ.

Ключевое преимущество нейтринных коллайдеров — энергия космических нейтрино. Даже одна частица с энергией 100 ПэВ при столкновении с протоном создаёт энергию ≈ 14 ТэВ (то есть уровень LHC), а при 250 ПэВ — до 22 ТэВ. Кроме того, нейтрино взаимодействуют с материей исключительно слабо, что делает фон от нежелательных реакций минимальным — в отличие от коллайдеров, где преобладают сильные ядерные процессы.

Авторы проанализировали четыре типа моделей новой физики: контактные взаимодействия, лептоглюоны, лептокварки и новые тяжёлые бозоны (W` и H`). Наибольший потенциал показали процессы с лептоглюонами — гипотетическими частицами, сочетающими свойства лептонов и глюонов. Их наличие можно проверить по особым следам — «двойным трекам» и «двойным вспышкам» в нейтринных детекторах, возникающим при распаде тяжёлых промежуточных частиц.

Сегодня действуют нейтринные телескопы IceCube, KM3NeT и Baikal-GVD (объём около 1 км^³). В разработке находятся установки нового поколения — IceCube-Gen2 (≈ 8 км^³), TRIDENT (7,5 км^³), P-ONE (Тихий океан), NEON (Южно-Китайское море) и HUNT (≈ 30 км^³). Именно они, по оценке авторов, смогут впервые реально выступить в роли «нейтринных коллайдеров» — и проверить сценарии физики за пределами Стандартной модели.

В заключении физики подчёркивают, что такие телескопы смогут выполнять двойную роль — изучать источники космических нейтрино и проводить поиск новых элементарных частиц. «Большой нейтринный коллайдер» может стать следующим шагом в фундаментальной физике — естественным ускорителем, использующим энергию Вселенной вместо гигантских магнитов и вакуумных туннелей.

 Источник: arXiv