КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-12-00253
НазваниеПоиск проявлений новых частиц и взаимодействий, связанных с распространением высокоэнергичного излучения во Вселенной
РуководительТроицкий Сергей Вадимович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2024 г. |
Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-101 - Физика элементарных частиц
Ключевые словарасширения Стандартной модели, аксион, нейтрино, темная материя, многоканальная астрономия, гамма-астрономия, космические лучи
Код ГРНТИ29.05.49
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект посвящен поиску частиц и взаимодействий за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц – пониманию природы темной материи, механизмов и масштабов нарушения новых симметрий, происхождения параметров Стандартной модели, - с использованием данных астрофизики высоких энергий и физики космических лучей. На протяжении десятилетий триумфальные подтверждения успехов Стандартной модели (СМ) в описании ускорительных экспериментов, в особенности на Большом адронном коллайдере, сопровождались ростом надежности доказательств неполноты СМ, связанных с неускорительными и астрофизическими результатами; при этом однозначные указания на справедливость той или иной расширяющей СМ теоретической модели отсутствуют. С другой стороны, именно в последние несколько лет имело место бурное развитие наблюдательной астрономии высоких энергий. Накоплена большая статистика нейтрино высоких энергий на IceCube, космических лучей на Pierre Auger и Telescope Array, фотонов высоких энергий на Fermi LAT, черенковских телескопах HESS, MAGIC, VERITAS. В 2021 году были почти одновременно опубликованы революционные результаты наземных гамма-обсерваторий HAWC, Tibet, Ковер-2 и LHAASO, открывшие эру наблюдательной гамма-астрономии выше 100 ТэВ. Начала работу нейтринная обсерватория Baikal-GVD; вводятся в эксплуатацию установки TAx4 (космические лучи), TAIGA и Ковер-3 (гамма-астрономия выше 100 ТэВ), KM3NeT (нейтрино) и т.д. Всё это открывает новые возможности поиска расширений СМ и проверки гипотез, что определяет актуальность предлагаемой в проекте методики. Из всего многообразия расширений СМ в данном проекте будут изучены те, которые можно тестировать в наблюдениях, связанных с распространением излучения высоких энергий. Благодаря доступным в астрофизике огромным расстояниям и временам можно искать или ограничивать слабые эффекты, связанные с новыми частицами и взаимодействиями, но не проявляющиеся в земных лабораториях. Стартуя с физически мотивированных гипотез, мы будем целенаправленно использовать те результаты астрофизики высоких энергий, которые обеспечат проверку новых моделей. Такой подход становится возможным только сейчас благодаря бурному развитию экспериментальной базы астрофизики высоких энергий. Новизна предлагаемых исследований определяется, таким образом, не только обращением к ранее не исследованным или недостаточно исследованным гипотезам, но и использованием наблюдательных результатов, только что появившихся или ожидаемых в годы выполнения проекта.
Мы решили сконцентрироваться на тех сценариях, в которых именно применение методов астрофизики высоких энергий кажется наиболее перспективным. Конкретные задачи, более подробно описанные в заявке, включают:
1) поиск проявлений или ограничение параметров широкого круга моделей с одной или несколькими аксионоподобными частицами (в том числе как решающими CP-проблему сильных взаимодействий аксионами, так и связанными с нарушениями других симметрий псевдоголдстоуновскими частицами; как составляющими, так и не составляющими темную материю) – с использованием данных гамма-астрономии и экспериментов, регистрирующих космические лучи сверхвысоких энергий;
2) проверку связанных с «новой физикой» гипотетических модификаций электромагнитных процессов, определяющих распространение фотонов высоких энергий во Вселенной (нарушение Лоренц-инвариантности, аксион-фотонное смешивание) – с использованием данных наземных установок ШАЛ по поиску астрофизических гамма-квантов ПэВного диапазона, данных гамма-астрономии и используемых в совместном многокомпонентном анализе данных нейтринной астрономии;
3) поиск проявлений «новой физики» в развитии широких атмосферных ливней – с использованием данных установок Ковер-2 и Telescope Array;
4) определение космологических параметров на основе анализа степени прозрачности Вселенной для гамма-излучения далеких блазаров.
Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты проекта:
1. Полная по направлениям выборка блазаров.
2. Вывод о наличии или отсутствии анизотропии поглощения в ГэВ – ТэВ диапазоне на основе полной выборки источников и его интерпретация.
3. Статистическая значимость корреляций космических лучей HiRes stereo с лацертидами из полной выборки.
4. Вывод о наличии или отсутствии глобальной анизотропии направлений космических лучей сверхвысоких энергий, коррелирующих с лацертидами из полной выборки.
5. Статистическая значимость корреляций космических лучей Telescope Array с лацертидами.
6. Новые алгоритмы поиска первичных фотонов в данных Telescope Array, адаптированные к задачам анизотропии.
7. Вывод о наличии или отсутствии глобальной анизотропии и особенностей типа первичных частиц событий Telescope Array, коррелирующих с лацертидами.
8. Проверяемые предсказания для изучения аномальной прозрачности Вселенной для гамма-излучения высоких и сверхвысоких энергий будущими экспериментами и обсерваторией Pierre Auger.
9. Астрофизические ограничения на модели с несколькими ALP.
10. Многоканальные ограничения на источники астрофизических нейтрино высоких энергий с учетом возможного наличия аксион-фотонного смешивания.
11. Вычисление глубины формирования атмосферных ливней в модели с кубическим нарушением лоренц-инвариантности. Ограничения на параметры модели на основе имеющихся экспериментальных данных.
13. Ограничения на масштаб нарушения лоренц-инвариантности по ожидаемым новым данным LHAASO, TAIGA, Ковер-2.
14. Ограничения на модели «новой физики» из поиска аномальных атмосферных ливней в данных установок Ковер-2 (диапазон энергий порядка ПэВ) и Telescope Array (диапазон энергий порядка ЭэВ).
15. Новые измерения космологических параметров на основе анализа степени прозрачности Вселенной для гамма-излучения далеких блазаров и их интерпретация.
Мы ожидаем, что полученные результаты будут соответствовать мировому уровню исследований, а в ряде направлений определять его. Результаты проекта и разработанные методы могут быть использованы для решения важнейшей фундаментальной задачи выбора модели темной материи и других расширений Стандартной модели физики частиц, а также при проектировании будущих наземных и космических установок для детектирования космических частиц высокой энергии и для многоканальной астрономии. В работе будут участвовать студенты, а ожидаемые результаты проекта и разработанные методы будут внедряться в образовательный процесс в рамках спецкурсов, читаемых руководителем проекта и основными исполнителями на физическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова и в МФТИ. Проект соответствует приоритетам, сформулированным в п. 20а и п. 21 Стратегии научно-технологического развития РФ, утвержденной Указом Президента РФ от 1 декабря 2016 г. № 642: “Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта”, и «Поддержка фундаментальной науки как системообразующего института долгосрочного развития нации является первоочередной задачей государства».
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе выполнения проекта в 2022 году участниками группы:
1. Выработаны критерии полноты по направлениям (изотропии) выборки внегалактических источников. Построена изотропная выборка блазаров, основанная на каталогах компактных радиоисточников и гамма-ярких активных галактик. Данная выборка включает 861 источник, относящийся к блазарам разных классов. Выборка используется в ряде задач проекта.
2. Изучены позиционные корреляции блазаров из построенной полной выборки с направлениями прихода космических лучей, зарегистрированных экспериментом HiRes в стереорежиме. Обнаружены корреляции с вероятностью случайного совпадения 4%, что значительно слабее корреляций со старым каталогом лацертид (0.1%). Это согласуется с ожиданиями, поскольку лацертидами является лишь часть источников в каталоге, а остальные – блазары других классов. Изотропная выборка лацертид будет выделена и использована в поиске корреляций с космическими лучами, а полная выборка всех блазаров – в других задачах проекта.
3. Построены алгоритмы поиска первичных фотонов в данных Telescope Array, адаптированные к задаче поиска сигнала от каталога лацертид, ранее обнаруженного в данных эксперимента HiRes. Оценено угловое разрешение и точность фотон-адронной классификации, необходимые для уверенного обнаружения подобного сигнала в эксперименте Telescope Array.
4. Получено выражение для сечения процесса Бете-Гайтлера в модели с кубическим нарушением лоренц-инвариантности (модель Майерса-Поспелова). С использованием данных по фотонным ливням экспериментов LHAASO и Tibet-ASgamma были поставлены ограничения на масштаб квантовой гравитации в модели Майерса-Поспелова.
5. На основе анализа спектров гамма-излучения трех внегалактических источников получены ограничения на величину межгалактического магнитного поля. Значения до 10^(-17) Гс исключены на высоком уровне достоверности.
6. На основе анализа ранних данных о наблюдении фотонов высоких энергий от космологически удаленного гамма-всплеска GRB 221009A показано, что смешивание фотонов с гипотетической аксионоподобной частицей в родительской галактике гамма-всплеска и в нашей Галактике может объяснить регистрацию фотонов с энергиями 18 ТэВ (LHAASO) и 251 ТэВ (Ковер-2) от этой вспышки. Определена соответствующая область параметров аксионоподобной частицы и показано, что часть ее разрешена всеми имеющимися ограничениями.
Результаты опубликованы в двух статьях (журналы Monthly Notices of the Royal Astronomical Society и Письма в ЖЭТФ), представлены в двух устных и трех стендовых докладах на международных конференциях.
Публикации
1. Е.И. Подлесный, Т.А. Джатдоев, В.И. Галкин Constraints on the extragalactic magnetic field strength from blazar spectra based on 145 months of Fermi-LAT observations Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 516 (2022) 5379 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1093/mnras/stac2509
2. Троицкий С.В. Parameters of axion-like particles required to explain high-energy photons from GRB 221009A Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики / JETP Letters, Письма в ЖЭТФ 116 (2022) 845 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1134/S0021364022602408
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Сделан вывод о наличии анизотропии поглощения космического гамма-излучения в ГэВ – ТэВ диапазоне. Анизотропия проявляется на больших угловых масштабах, однако ее статистическая значимость невелика, и наиболее вероятной причиной анизотропии поглощения в этом диапазоне энергий является статистическая флуктуация.
На основе результатов анализа выборки космических лучей, зарегистрированных ранее экспериментом HiRes, сформулированы рекомендации к проверке корреляций космических лучей с лацертидами. Проведен статистический анализ данных эксперимента Telescope Array и оценена значимость корреляций космических лучей Telescope Array с лацертидами. Результаты работы проходят обсуждение в Telescope Array, после которого смогут быть опубликованы.
В программный код TransportCR добавлено описание гипотетического аксион-фотонного смешивания в терминах транспортных уравнений. С помощью модифицированного кода показано, что аксион-фотонное смешивание существенно влияет на многоканальные ограничения на источники астрофизических нейтрино высоких энергий, даже при небольшой константе взаимодействия. Вычислен спектр диффузного гамма-излучения, сопутствующего рождению нейтрино высоких энергий во внегалактических источниках, и показано, что аксион-фотонное взаимодействие может ослабить противоречие между диффузными потоками фотонов (Fermi LAT) и нейтрино (IceCube), намечающееся при многоканальном анализе наблюдательных данных. https://arxiv.org/abs/2310.09610
Получены ограничения на параметры модели с кубическим нарушением лоренц-инвариантности на основе данных эксперимента LHAASO по наблюдению фотонов с энергиями выше 100 ТэВ от трех точечных источников. http://arxiv.org/abs/2312.06307
В модель межгалактического фонового излучения Корочкина и Рубцова (2018) введена возможность изменения космологических параметров, что позволило провести исследование степени прозрачности Вселенной для гамма-излучения далеких блазаров в моделях с вариацией параметра Хаббла H0 и доли материи OmegaM самосогласованным образом.
На основе данных гамма-телескопа Fermi LAT по наблюдениям послесвечения гамма-всплеска GRB 221009A получены ограничения на межгалактическое магнитное поле. Исключены поля с напряженностями в интервале от 10^(-20) до 10^(-18) Гс. https://doi.org/10.1093/mnrasl/slad142
Из анализа направления прихода нового события с энергией 2.4*10^20 эВ, зарегистрированного Telescope Array, с учетом галактических и внегалактических магнитных полей, получены наиболее строгие в мире ограничения на концентрацию источников космических лучей предельно высоких энергий, в том числе первые в мире такие ограничения для предположения, когда первичная частица является тяжелым ядром (железо). https://arxiv.org/abs/2311.14628
Показано, что избыточные концентрации космических лучей сверхвысоких энергий, подобные «горячим пятнам», наблюдаемым в данных Telescope Array и Pierre Auger Observatory, могут возникать благодаря нетривиальным эффектам распространения высокоэнергичных частиц в турбулентном магнитном поле. https://arxiv.org/abs/2312.06391
На основе наблюдений родительской галактики гамма-всплеска GRB 221009A космическим телескопом «Хаббл», с учетом результатов наблюдений похожих галактик и компьютерного моделирования, построена модель магнитного поля этой галактики. Показано, что, благодаря исключительной ориентации этой галактики по отношению к лучу зрения, максимальное аксион-фотонное смешивание в ней возможно для широкого диапазона энергий в десятки – сотни ТэВ и для большой области пространства параметров аксионоподобных частиц. https://arxiv.org/abs/2307.08313
Публикации
1. Т. Джатдоев, Е. Подлесный, Г. Рубцов First constraints on the strength of the extragalactic magnetic field from γ-ray observations of GRB 221009A Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, Volume 527, Issue 1, pp.L95-L102 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1093/mnrasl/slad142