Физики научились различать «лунные» и «атмосферные» нейтрино

Сотрудники МФТИ и Института ядерных исследований РАН изучили спектры лунных нейтрино — сверхлегких частиц, возникающих из-за взаимодействия космических лучей с поверхностью Луны. Наблюдение таких частиц сделает Луну новым источником нейтрино, что может дать дополнительные методы ее изучения. Работа опубликована в журнале Physical Review D, кратко ее итоги описаны в совместном пресс-релизе МФТИ и ИЯИ РАН.

Нейтрино — это очень легкая элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Нейтрино образуются во время различных радиоактивных распадов, например при бета-распаде в атомных ядрах, в ходе естественных ядерных реакций, происходящих в звездах, во время реакций в реакторах или на ускорителях и в ряде других процессов. Этими частицами пронизан весь космос, около 90 млрд нейтрино в секунду проходят через каждый квадратный сантиметр земной поверхности, однако они исключительно слабо взаимодействуют с веществом.

Нейтрино способны возникать в распадах адронов в астрофизических объектах. Однако такие источники находятся на достаточно больших расстояниях, а значит, регистрация астрофизических нейтрино требует углового разрешения, значительно превышающего возможности современных нейтринных телескопов. С этой точки зрения одним из интересных источников нейтрино является Луна, находящаяся на достаточно близком расстоянии от Земли. Бомбардируя лунную поверхность, космические лучи образуют мезоны, которые тормозятся в поверхностном слое сыпучего лунного грунта и распадаются, производя низкоэнергетические нейтрино. Таким образом, Луна становится источником нейтрино, которые можно обнаружить при помощи нейтринных телескопов.

Авторы исследования рассчитали поток низкоэнергетических нейтрино, возникающих из-за космических лучей, бомбардирующих поверхность Луны. Численное моделирование взаимодействия космических лучей с реголитом (лунным грунтом) и подсчет нейтрино, образующихся в распадах образующихся адронов, показали, что отношение лунного и атмосферного потоков нейтрино в направлении на Луну в низкоэнергетическом диапазоне (от 10 МэВ до примерно 1 ГэВ) близко к единице, однако их спектры сильно отличаются. Регистрация нейтрино соответствующим детектором — сама по себе трудоемкая задача не только из-за высокой проникающей способности нейтрино, но и из-за наличия шума от других частиц, которые могут имитировать нейтринные взаимодействия, а отличить нейтрино от прочих источников тем более сложно.

«Несмотря на схожее происхождение лунных и атмосферных нейтрино, своеобразный спектр первых, вызванный по большей части отсутствием атмосферы на Луне, делает потенциально возможным различать между собой нейтрино разного происхождения. Кроме того, при моделировании была обнаружена зависимость спектра лунных нейтрино от плотности реголита, что в дальнейшем может помочь в изучении свойств лунного грунта», — рассказал Сергей Демидов, научный сотрудник Института ядерных исследований РАН и МФТИ.

Выявленные особенности могут быть использованы для поиска лунных нейтрино в будущих нейтринных экспериментах на Земле. Однако угловое разрешение детекторов нейтрино в настоящее время остается довольно низким по сравнению с угловым размером Луны на небе. Также для детального изучения спектра таких нейтрино необходимо хорошее энергетическое разрешение. Исследователи пришли к выводу, что для обнаружения лунных нейтрино потребуются не просто большие, но огромные нейтринные детекторы с исключительно высоким энергетическим и угловым разрешениями — задача, которая однажды может стать осуществимой.

Наблюдение лунных нейтрино позволит сделать Луну ближайшим астрофизическим источником, для которого работает концепция многоканальной астрономии. Ее целью является получение сведений о происходящих в космосе процессах путем изучения волн, частиц и космических лучей высокой энергии, испускаемых одними и теми же внеземными источниками.