Осцилляции физических гипотез: короткие гамма-всплески и стерильные нейтрино

Рис. 1. Слияние двух нейтронных звезд. Теоретически было предсказано, что в течение нескольких мгновений после слияния образовавшаяся нейтронная звезда должна испытывать квазипериодические осцилляции. При этом вдоль оси вращения звезды испускаются мощнейшие пучки гамма-квантов, которые ученые регистрируют как короткие гамма-всплески. В первой из обсуждаемых статей астрофизикам удалось, путем тщательного анализа спектров двух гамма-всплесков, обнаружить следы этих осцилляций. Если ученые научатся извлекать из этих данных полезную информацию, то мы получим новый способ исследовать одни из самых экстремальных событий во Вселенной. Рисунок с сайта nature.com

Астрофизики из нескольких американских университетов обнаружили новый способ получения информации о процессах, которые непосредственно следуют за слиянием нейтронных звезд. Такие сведения пока что невозможно извлекать из сигналов детекторов гравитационных волн, однако теперь есть основания считать, что для этой цели удастся использовать спектральный анализ гамма-всплесков. Одновременно международная коллаборация физиков-ядерщиков обнародовала результаты трехлетнего эксперимента на французском ядерном реакторе в Гренобле, которые опровергли гипотезу двенадцатилетней давности о возможном открытии так называемых стерильных нейтрино. Оба эти сообщения 11 января появились в журнале Nature.

11 января в очередном, втором за нынешний год выпуске журнала Nature появились два сообщения, которым в определенном смысле можно приписать противоположные смысловые векторы. Одно из них указывает на принципиальную возможность использования приходящих из очень далекого космоса пучков гамма-излучения для получения данных о физических процессах, которые следуют непосредственно за парным слиянием нейтронных звезд. Такие пучки, так называемые гамма-всплески (они же гамма-вспышки или гамма-барстеры), были впервые зарегистрированы двумя американскими спутниками серии Vela-4 еще в середине 1967 года, однако их «освоение» астрофизикой началось уже в 1970-е годы. Согласно современным представлениям, гамма-всплески имеют различную природу, однако немалая их часть (порядка 30%) скорее всего обязана своим происхождением слияниям нейтронных звезд. Речь идет о всплесках продолжительностью не больше двух секунд и средней длительностью порядка одной трети секунды, которые принято назвать короткими (а есть еще ультракороткие и длинные). Если эта вполне правдоподобная, но пока окончательно не доказанная гипотеза верна, то можно ожидать, что короткие всплески несут какую-то (возможно, очень богатую) информацию об экзотических состояниях материи, рожденных в ходе такой вот звездной гибели. Теоретически эта возможность была осознана уже давно, однако практические пути к ее реализации до сих пор не просматривались. Теперь они намечены в статье американских астрофизиков во главе с Сесилией Чиренти (Cecilia Chirenti) из Мэрилендского университета. Их работа Kilohertz quasiperiodic oscillations in short gamma-ray bursts будет первым предметом моего рассказа.

В том же выпуске Nature можно прочесть другую статью, которая, в отличие от первой, не открывает, а скорее закрывает определенную исследовательскую тему — на этот раз не в релятивистской астрофизике, а в физике элементарных частиц. Она держалась в науке с начала прошлого десятилетия. Тогда стало известно о небольшой аномалии в результатах многочисленных измерений плотности потока антинейтрино, рождающихся в ходе работы ядерных реакторов различной мощности. Эта аномалия была интерпретирована как возможное подтверждение реальности еще одной, четвертой по счету разновидности нейтрино, о которой уже давно говорят теоретики. И вот теперь международная коллаборация физиков-ядерщиков, работающих на французском реакторе в Гренобле, представила на суд коллег статью STEREO neutrino spectrum of ²³⁵U fission rejects sterile neutrino hypothesis, которая поставила крест на этой идее. Ее участники подтвердили существование самой аномалии, однако убедительно доказали, что она никак не может указывать на существование гипотетических стерильных нейтрино. Вот так и получается, что статьи, о которых пойдет речь, по содержанию антисимметричны, если только позволительно в данном случае использовать сей термин из лексикона квантовой механики. Ну, а теперь — интрига намечена, введение закончено, можно перейти к деталям.

Гамма-всплески и нейтронные звезды

Начну ab ovo, то есть, с азов. Согласно данным звездной статистики, не менее половины светил входят в состав звездных пар, связанных силами тяготения и обращающихся вокруг общего центра инерции. Согласно общей теории относительности (ОТО), они генерируют гравитационные волны и потому постепенно теряют энергию и сближаются друг с другом. Однако для типичной звездной пары скорость такого сближения настолько ничтожна, что, если бы сами звезды не менялись, они могли бы слиться разве что за время, неизмеримо превышающее нынешний возраст Вселенной.

Однако неизменность космических светил — это фикция. Любая звезда существует в относительно (но не абсолютно!) неизменном виде только до тех пор, пока не сожжет в своем ядре все запасы водорода. Скорость этого процесса определяется только ее начальной массой. Наиболее массивные звезды из группы голубых гигантов выгорают за несколько миллионов лет, в то время как самые легкие из ныне существующих красных карликов проживут не менее десяти триллионов лет. Однако в любом случае лишившаяся первичного топлива звезда претерпит серию катаклизмов и превратится либо в белый карлик (такова судьба звезд с массой не более восьми солнечных масс), либо в нейтронную звезду или сразу в черную дыру. Для сверхмассивных звезд теория предсказывает даже более разрушительные финалы — например, тотальные взрывы без наследников (см. картинку дня Пропавшая звезда). В общем, практически любая двойная звезда в конце концов превратится в обычную звезду в сопровождении белого карлика или нейтронной звезды, либо в два белых карлика, либо в пару нейтронных звезд или черных дыр. Возможны и промежуточные случаи — скажем альянс нейтронной звезды и черной дыры.

Судьба таких бинарных систем опять-таки вполне предсказуема. Например, если белый карлик имеет в качестве компаньона обычную звезду, он имеет шансы оттянуть на себя часть ее вещества и превратиться в сверхновую типа Ia. Спаренные космические объекты из вырожденной материи (белые карлики и нейтронные звезды), равно как и черные дыры, хотя и не делятся веществом, однако генерируют гравитационные волны куда интенсивней звезд главной последовательности и потому сближаются гораздо быстрее. В конце концов они обречены на слияние, сопровождающееся мощными выбросами вещества и излучения. Некоторые из таких выбросов достигают Земли, обеспечивая работу уже нескольким поколениям астрономов и астрофизиков.

Точности ради отмечу, что время жизни таких пар тоже может быть очень большим. Например, пара белых карликов, в которую со временем превратится система Сириуса (Сириус B уже достиг стадии белого карлика), проживет свыше триллиона лет и до своего столкновения и исчезновения оба компаньона успеют сильно охладиться.

Теперь займемся слиянием нейтронных звезд. Гипотеза о том, что такие катаклизмы порождают короткие гамма-всплески, получила первое «аппаратное» подтверждение 17 августа 2017 года. Оно состояло в наблюдении семью десятками космических и наземных обсерваторий двухсекундного гамма-всплеска большой мощности. Этот всплеск последовал сразу же после регистрации гравитационными детекторами LIGO и Virgo пакета гравитационных волн GW170817, который пришел из галактики NGC 4993, удаленной от Земли на 140 миллионов световых лет. Согласно теоретическим моделям, этот гравитационный цуг был вызван слиянием нейтронных звезд. Стоит напомнить, что это событие сразу же привлекло внимание ведущих средств массовой информации по всей планете. Позднее журнал Science объявил его научным прорывом 2017 года (см. статью Сергея Попова Зафиксировано слияние нейтронных звезд!).

Астрофизические модели последствий столкновения нейтронных звезд пока не дают точных предсказаний деталей этих процессов и их последствий. Однако один из главных сценариев состоит в том, что такое столкновение приводит к рождению быстро вращающейся (с угловой скоростью от тысячи до двух тысяч оборотов в секунду!) нейтронной звезды большей массы, которая существует от 10 до 300 микросекунд, а затем коллапсирует в черную дыру. За время своей короткой жизни такая звезда успевает претерпеть серию осцилляций, где-то напоминающих колебания барабана после удара палочками, которые должны рождать волны тяготения в диапазоне частот от 1 до 5 килогерц. К сожалению, современные гравитационные детекторы недостаточно чувствительны для регистрации таких волн. Эта задача скорее всего будет по плечу только приборам следующего поколения, которые могут появиться после 2030 года.

Однако есть надежда получить релевантную информацию уже в ближайшие годы. Как показывают численные симуляции, вибрации нейтронной звезды могут повлиять на спектр гамма-излучения, которое она успевает испустить перед провалом в свою чернодырную могилу. Этот эффект должен приводить к появлению в спектре гамма-излучения квазипериодических модуляций, которые в принципе можно обнаружить современными методами.

Именно это и попытались сделать Сесилия Чиренти и ее коллеги. Они обратились к архивным данным о тысячах гамма-всплесков различных типов, значительная часть которых была получена детектирующим комплексом BATSE (Burst and Transient Source Experiment). Он размещался на борту американской космической обсерватории «Комптон», запущенной в апреле 1991 года и снятой с орбиты в июне 2000-го. Один только этот прибор зарегистрировал 2704 гамма-вспышки — примерно по одной ежесуточно. Хотя Сесилия Чиренти и ее коллеги рассмотрели данные о более чем семи сотнях гамма-барстеров, они реально работали с архивной информацией о двух коротких всплесках GRB 910711 и GRB 931101B, которые дошли до Земли, соответственно, 11 июля 1991 года и 1 ноября 1993 года. Их вывод обнадеживает: полученные результаты в обоих случаях совместимы с предсказаниями численных моделей, описывающих ожидаемые квазипериодические осцилляции гамма-излучения.

Значит ли это, что уже получены надежные доказательства рождения очень короткоживущих вибрирующих нейтронных звезд при слиянии их, если так можно выразиться, нормальных и потому долговечных предшественниц? Думается, что такой вывод пока что надо считать преждевременным. Во-первых, у астрофизиков все еще нет надежных уравнений состояния материи с плотностью в квадриллион раз больше плотности воды и нагретой как минимум до 50 миллиардов градусов, которая как раз и должна возникать при слиянии нейтронных звезд. Уже по одной этой причине численное моделирование постстолкновительных процессов в лучшем случае очень приблизительно. Во-вторых, неизвестны расстояния до источников обоих гамма-всплесков, которые, в силу расширения Вселенной и вызванного им космологического красного смещения, должны приниматься в расчет при сравнении наблюдаемых на Земле частот осцилляций гамма-спектров с частотами, вытекающими из обсчета численных моделей. Наконец, у астрофизиков нет информации о массах тех короткоживущих нейтронных звезд, которые предположительно влияли на спектры гамма-всплесков GRB 910711 и GRB 931101B.

Так что заявленные результаты авторов статьи в Nature, которые они сами считают предварительными, нуждаются и в подтверждении, и в расширении. Будем надеяться, что за этим дело не станет. Этот оптимизм тем более обоснован, что поиском квазипериодических осцилляций излучения гамма-всплесков занимаются и другие научные группы — см., например, обнародованную в конце прошлого года работу китайских астрофизиков S. Xiao et al., Search for Quasiperiodic Oscillations in Precursors of Short and Long Gamma-Ray Bursts. А коллективные усилия в науке как правило сильно повышают вероятность успеха.

В заключение этого раздела отмечу, что проблема происхождения длинных гамма-всплекков тоже очень интересна и, опять-таки, до конца не разрешена. Как считается, их генерацию лучше всего описывает модель, которая связывает ее со взрывами сверхмассивных коллапсирующих звезд. Такие взрывы при определенных условиях оставляют после себя магнетары, чрезвычайно сильно намагниченные нейтронные звезды, поддерживающие на своей поверхности магнитные поля напряженностью 10¹⁴–10¹⁵ гаусс (это на два-три порядка выше, чем у «нормальных» пульсаров). Согласно этой модели, гибнущая в процессе взрыва звезда рождает длинные гамма-всплески, выбрасывая в обоих направлениях вдоль своей оси вращения потоки высокоэнергетичных фотонов. Их источниками скорее всего служат ультрарелятивистские джеты, потоки заряженных частиц, чьи скорости лишь на доли процента уступают скорости света. Для свободного выброса гамма-квантов звезда должна предварительно избавиться от своей водородной оболочки, которая иначе поглотит большую часть излучения.

Не исключено, что эту модель вскоре придется модифицировать. Во всяком случае, в конце прошлого года появилась статья J. Yang et al., A long-duration gamma-ray burst with a peculiar origin с совершенно другим сценарием рождения длинных всплесков. Ее авторы проанализировали информацию о гамма-всплеске GRB 211211A, чей спектр обладает рядом необычных характеристик. Они пришли к выводу, что самым правдоподобным механизмом выброса этого барстера надо считать слияние нейтронной звезды с белым карликом с последующим возникновением магнетара. Эта гипотеза очень интересна и, несомненно, будет тщательно проверяться.

Где вы, майорановские нейтрино?

Теперь займемся второй публикацией. Напоминаю, что ее авторы в ходе тщательных экспериментов опровергли информацию более чем десятилетней давности о возможном открытии так называемых стерильных нейтрино. Вероятно, этот странновато звучащий термин знаком не всем, поэтому стоит сначала рассказать, о чем идет речь.

Как известно, на рубеже третьей и последней четвертей прошлого столетия в результате коллективных усилий физиков (как экспериментаторов, так и теоретиков) из разных стран была создана всеобъемлющая теория микромира, известная как Стандартная модель элементарных частиц. По своей логической структуре она довольно сильно отличается от своих предшественниц. В своей основе это теоретическое описание симметрий пустого пространства-времени и тех правил, согласно которым несколько квантовых полей, обладающих своими собственными симметриями, взаимодействуют с ним и друг с другом. Подчеркну, что предположение о пустоте пространства влечет за собой его нулевую (точнее, почти нулевую) заполненность материей и, следовательно, подчинение евклидовой геометрии. Отсюда, в свою очередь, следует, что Стандартная модель не учитывает и не описывает гравитационных полей, которые, согласно ОТО, обязаны своим существованием искривлению пространственно-временного континуума. Сфера ее действия — это остальные три фундаментальных взаимодействия, сильное, слабое и электромагнитное.

Симметрии Стандартной модели диктуют существование определенного набора (иногда его называют зоопарком) элементарных частиц, обладающих половинным или целочисленным спином. Частицы со спином ½, известные как фермионы, отвечают за материальный костяк мироздания, в то время как бозоны с единичным спином переносят взаимодействия между фермионами. Имеется также одна единственная (во всяком случае, других пока не найдено) частица с нулевым спином, известная как бозон Хиггса. По своей природе это квант особого всемирного поля, благодаря которому остальные частицы, за исключением кванта электромагнитного излучения, фотона, обладают массой.

Согласно Стандартной модели, в природе имеется 12 видов элементарных фермионов (их также называют ароматами). Они разделены на три группы — на формальном языке, три поколения. Каждое поколение содержит пару кварков, несущих электрические заряды, и пару лептонов, заряженный и незаряженный. Как кварки, так и лептоны, существуют в двух физически различных версиях — частица и античастица. Заряженные лептоны — это электрон и позитрон (первое поколение), отрицательно заряженный мюон и его антимюон с положительным зарядом (второе) и отрицательно заряженная тау частица вместе со своей античастицей (третье). Нейтральные лептоны — это три разновидности нейтрино вместе с соответствующими антинейтрино. Так что имеем очень красивую структуру фундаментальных частиц — можно даже сказать, элегантную.

Но это не конец истории. Симметрии Стандартной модели допускают существование частиц, которые являются точными копиями своих античастиц. В микромире они пока не обнаружены (хотя их аналоги выявлены в физике твердого тела), но теория их не запрещает. Уравнение для таких частиц еще в 1937 году появилось в полном смысле слова провидческой статье Teoria simmetrica dell'elettrone e del positrone («Симметричная теория электронов и позитронов»), которую опубликовал в журнале Il Nuovo Cimento чрезвычайно одаренный молодой итальянский физик с очень трагической судьбой Этторе Майорана — поэтому их называют майорановскими. В силу тех же симметрий майораном может быть только электрически нейтральная частица с половинным спином. В «зоопарке» Стандартной модели этому критерию отвечают только нейтрино. Так что можно предположить, что в дополнение к уже известным трем разновидностям нейтрино (их называют дираковскими) природа создала и четвертое семейство. Эта идея была впервые высказана в 1996 году и до сих пор остается гипотезой.

А дальше начинается самое интересное. Все нейтрино несколько десятилетий считали безмассовыми. Сейчас известно, что массы у них все же есть, хотя они точно не известны и почти наверняка не превышают малых долей электронвольта. Однако же, если, помимо дираковских нейтрино, существуют и майорановские, они могут иметь куда большие массы, измеряемые несколькими электронвольтами либо даже десятками или сотнями эВ. Еще важнее, что, в силу все тех же фундаментальных симметрий, такие нейтрино при нормальных условиях практически не принимают участия в слабых взаимодействиях Стандартной модели, которые «чувствуют» дираковские нейтрино, и потому не замечают прочих элементарных частиц Стандартной модели. Именно поэтому их и называют стерильными.

Физикам известны пути к детектированию майорановских нейтрино, но до сих пор такие эксперименты неизменно давали нулевые результаты. Например, ядро ксенона с атомным весом 136 хотя и имеет очень большое время жизни (свыше 10²¹ лет), но все же превращается в ядро бария-136, пару электронов и пару электронных антинейтрино. Будь среди нейтрино майорановские частицы, был бы возможен тот же самый распад ксенона в барий, но уже только с одними электронами. Эта реакция, как и другие подобные превращения (так называемый двойной безнейтринный бета-распад) до сих пор не обнаружена, несмотря на все усилия экспериментаторов.

Но есть и другой способ. Если бы нейтрино были абсолютно безмассовыми частицами наподобие фотонов, то свободно летящие нейтрино разных ароматов не могли бы превращаться друг в друга. Однако сколько-нибудь массивные нейтрино на такие превращения способны, и они уже давно зарегистрированы. В частности, подобные процессы, так называемые нейтринные осцилляции, наблюдаются при мониторинге потоков электронных антинейтрино, которые в изобилии испускают работающие ядерные реакторы. Если допустить существование майорановских частиц, то можно предположить, что они тоже будут участвовать в этих осцилляциях, хотя и реже своих дираковских собратьев. В частности, какая-то часть электронных нейтрино по выходе из реактора перейдет в нейтрино майорановского типа. Физически такая гипотеза вполне осмысленна. Этот эффект должен проявляться в каком-то (возможно, очень незначительном) дефиците плотности выходящих из активной зогны реактора «обычных» нейтрино по сравнения с ожидаемым уровнем. Если бы такой дефицит и вправду был замечен, то его нельзя было интерпретировать иначе как аномалию.

Подобная аномалия как раз и была обнаружена в 2011 году. Оказалось, что потоки антинейтрино, измеренные в разное время на выходе из нескольких реакторов, включая и российскую установку в Красноярске, в среднем на 5,7% ниже расчетных значений (см. G. Mention et al., 2011. The reactor antineutrino anomaly). Именно в этой статье появился быстро вошедший в употребление термин «reactor antineutrino anomaly». Разумеется, она не могла не привлечь внимания специалистов. Вскоре для ее проверки были поставлены контрольные эксперименты, которые не дали однозначных результатов. Так что вопрос на время остался открытым.

И вот теперь он закрыт — по крайней мере, в главной части. Коллаборация STEREO (это сокращение расшифровывается как Search for Sterile Reactor Neutrino Oscillations) опубликовала результаты своего эксперимента, который проводился в Гренобле на исследовательском ядерном реакторе Института Лауэ-Ланжевена с тепловой мощностью в 58 мегаватт. Ученые установили на дистанциях от 9 до 11 метров от активной зоны реактора, загруженного ураном-235, шесть независимо работающих сцинтилляционных детекторов, которые действовали с октября 2017 года по ноябрь 2020-го. В целом эти счетчики зарегистрировали 107 558 электронных антинейтрино, которые участвовали в реакциях обратного бета-распада, где эти частицы взаимодействовали с протонами, давая начало нейтронам и позитронам.

Рис. 2. Схема эксперимента по поиску стерильных нейтрино. Шесть ячеек со сцинтилляционными детекторами были установлены на расстоянии 9–11 метров от реактора (58-MW compact core). На врезке показаны теоретические предсказания для энергетических спектров частиц, зарегистрированных первой и шестой ячейками. Рисунок из обсуждаемой статьи The STEREO Collaboration, 2023. STEREO neutrino spectrum of ²³⁵U fission rejects sterile neutrino hypothesis

И каков же итог? Обнаруженный в 2011 году дефицит электронных антинейтрино наблюдался по-прежнему, причем практически на неизменном уровне — 5,5% (аналогичные результаты были обнародованы еще в конце 2019 года, но тогда они базировались на регистрации 65 500 антинейтрино). Однако энергетический спектр детектированных частиц оставался тем же самым на разных расстояниях детекторов от реактора. Это было бы невозможно, если бы дираковские электронные антинейтрино осциллировали в майорановские частицы, поскольку в таком случае разные детекторы выдавали бы сигналы неодинаковой формы (см. очень наглядную иллюстрацию в заметке заместителя директора Института физики высоких энергий Академии наук КНР Джуна Као (Jun Cao), опубликованной в том же выпуске Nature).

Что же мы имеем в сухом остатке? Аномалия с дефицитом плотности вышедших из реактора электронных антинейтрино сохранилась, но ее уже нельзя объяснить превращением обычных частиц в стерильные. Возможно, дело в каких-то неучтенных особенностях работы реакторов — но это только предположение. Так что, как и в случае с анализом космических гамма-всплесков, дело за будущими экспериментами. Но ведь так всегда и прогрессирует наука.

Источники:
1) Cecilia Chirenti, Simone Dichiara, Amy Lien, M. Coleman Miller & Robert Preece. Kilohertz quasiperiodic oscillations in short gamma-ray bursts // Nature. DOI: 10.1038/s41586-022-05497-0.
2) The STEREO Collaboration. STEREO neutrino spectrum of ²³⁵U fission rejects sterile neutrino hypothesis // Nature. 2023. DOI: 10.1038/s41586-022-05568-2.

Алексей Левин