Физики рассчитали поток нейтрино от космических лучей, падающих на поверхность Луны
Специалисты МФТИ и Института ядерных исследований РАН изучили спектры лунных нейтрино — сверхлегких элементарных частиц, которые возникают из-за бомбардировки поверхности Луны космическими лучами.
Нейтрино — очень легкие нейтральные фундаментальные частицы. Они образуются во время различных радиоактивных распадов: при бета-распаде в атомных ядрах, в ходе ядерных реакций в звездах, в реакторах, на ускорителях и в ряде других процессов. Нейтрино пронизывают весь космос, но крайне слабо взаимодействуют с веществом — через каждого из нас за секунду проходят миллиарды нейтрино, и мы этого никак не ощущаем.
Сверхлегкие частицы интересует ученых по всему миру, ведь нейтринный сигнал распространяется без помех, а значит их регистрация и изучение могут дать новую информацию об источниках нейтрино. К сожалению, большинство таких источников находятся на огромных расстояниях от Земли, поэтому регистрация их нейтрино требует углового разрешения, значительно превышающего возможности современных нейтринных телескопов.
Луна же находится достаточно близко к Земле, а сталкивающиеся с ее поверхностью космические лучи образуют мезоны, которые тормозятся в лунном грунте и распадаются, в результате чего образуется низкоэнергетические нейтрино.
Исследователи из Института ядерных исследований РАН и МФТИ рассчитали поток лунных нейтрино. Численное моделирование взаимодействия космических лучей с лунным грунтом и подсчет нейтрино, образующихся в распадах 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.
Ученые отмечают, что регистрация нейтрино соответствующим детектором — сложная задача, причем не только из-за высокой проникающей способности нейтрино, но и из-за наличия шума от других части. Они могут весьма убедительно имитировать нейтринные взаимодействия.
«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 научный сотрудник Института ядерных исследований РАН и МФТИ Сергей Демидов.
Обнаруженные учеными особенности быть использованы для поиска лунных нейтрино в будущих нейтринных экспериментах на Земле.
Пока же угловое разрешение детекторов нейтрино остается низким по сравнению с угловым размером Луны на небе, к тому же для детального изучения спектра лунных нейтрино необходимо хорошее энергетическое разрешение. Исследователи считают, что для обнаружения лунных нейтрино потребуются огромные нейтринные детекторы с исключительно высоким энергетическим и угловым разрешениями. Но однажды это может стать реальностью.
В этом случае Луна станет ближайшим астрофизическим источником, для которого работает концепция многоканальной астрономии, целью которой является получение сведений о происходящих в космосе процессах путем изучения волн, частиц и космических лучей высокой энергии, испускаемых одними и теми же внеземными источниками.
Работа опубликована в журнале Physical Review D.