Záhadné ultra-energetické neutrino z hlubin moře: Vědci zkoumají, zda odhaluje novou fyziku

Neutrina jsou extrémně lehké a elektricky neutrální částice, které jen zřídka interagují s běžnou hmotou.

Neutrina jsou extrémně lehké a elektricky neutrální částice, které jen zřídka interagují s běžnou hmotou. Díky těmto vzácným interakcím mohou neutrina cestovat vesmírem téměř zcela neovlivněna a nést informace o vysoce energetických kosmologických událostech, jako jsou explodující hvězdy nebo supermasivní černé díry.

Neutrinový teleskop KM3NeT, observatoř umístěná na dně Středozemního moře, nedávno detekoval neutrino s extrémně vysokou energií, přesahující 100 PeV (peta-elektronvoltů). Jedná se o jedno z nejenergetičtějších neutrin pozorovaných dosud. Teoretické předpovědi naznačovaly, že podobné vysokoenergetické neutrinové události by měl pozorovat i jiný velký detektor, IceCube, který se nachází v Antarktidě. To se však nestalo, což by mohlo potenciálně naznačovat existenci nové fyziky, jako je nový typ neutrin nebo nestandardní interakce, které nejsou zahrnuty ve standardním modelu fyziky.

Vědci z Oklahoma State University se proto rozhodli prozkoumat možné vysvětlení pro hlášený rozpor mezi předpověďmi a nedávnými pozorováními neutrin. Jejich práce, publikovaná v časopise Physical Review Letters, konkrétně zvažuje existenci sterilních neutrin – hypotetických neutrin, která neinteragují prostřednictvím běžných sil ve vesmíru – a také neutrinových oscilací, kvantového jevu, který způsobuje, že neutrina mění svůj typ během pohybu vesmírem.

Hlavním cílem studie bylo zjistit, zda událost KM3NeT může být přesvědčivě vysvětlena fyzikou za hranicemi standardního modelu. Vědci se zaměřili na hypotetické scénáře, ve kterých by se náznaky nové fyziky projevily pouze při velmi vysokých energiích kolem nebo nad 100 PeV. Klíčový rozdíl mezi KM3NeT a IceCube spočívá v tom, že signál neutrina dosahující KM3NeT prochází přibližně 150 km Země (skály a mořské vody), zatímco odpovídající dráha pro IceCube zahrnuje pouze asi 14 km antarktického ledu. Tento rozdíl naznačuje, že jakékoli životaschopné vysvětlení nové fyziky by zahrnovalo mechanismus spuštěný vlivem hmoty během šíření neutrina.

Po teoretickém prozkoumání různých možností se vědci zaměřili na scénáře zahrnující sterilní neutrina. Konkrétně se zabývali případy, kdy je přeměna sterilních neutrin na aktivní neutrina, prostřednictvím neutrinových oscilací, posílena v přítomnosti hmoty uvnitř Země. Aktivní neutrina jsou ta, která známe a která občas interagují s hmotou a mohou být detekována, zatímco sterilní neutrina jsou hypotetická a lze je primárně zkoumat nepřímo prostřednictvím jejich míchání s aktivními neutriny. Myšlenka spočívá v tom, že dominantně sterilní tok neutrin může vytvořit mnoho aktivních neutrin v KM3NeT. Díky výrazně delší dráze hmotou by to zvýšilo očekávaný signál v KM3NeT ve srovnání s IceCube, čímž by se anomálie vyřešila.

Tato studie nabízí věrohodné vysvětlení pro ultra-energetickou neutrinovou událost KM3NeT, které zvažuje fyziku mimo standardní model. Vědci zdůrazňují, že anomální absence srovnatelných událostí v IceCube by již mohla naznačovat novou fyziku přítomnou při extrémně vysokých energiích. Jejich práce naznačuje, že pozorování ultra-energetických neutrin by mohla zkoumat fundamentální částicovou fyziku v energetických měřítkách, která jsou mimo dosah konvenčních experimentálních nástrojů. V rámci svých dalších studií plánují vědci pokračovat ve zkoumání fyzikálních jevů při energiích kolem nebo nad 100 PeV.