Поиск проявлений новых частиц и взаимодействий, связанных с распространением высокоэнергичного излучения во Вселенной

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 проекта 22-12-00253

НазваниеПоиск проявлений новых частиц и взаимодействий, связанных с распространением высокоэнергичного излучения во Вселенной

Руководитель Троицкий Сергей Вадимович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук , г Москва

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 слова расширения 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
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)
10.1134/S0021364022602408

3. 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)
10.1093/mnrasl/slad142

4. Рябцев К. Implications of ALP-photon conversion for the diffuse gamma-ray background associated with high-energy neutrinos. Physics Letters B, Phys. Lett. B 859 (2024) 139095 (год публикации - 2024)
10.1016/j.physletb.2024.139095

5. Куденко М.А., Троицкий С.В. An isotropic full-sky sample of optically selected blazars. Astronomy and Astrophysics, Astronomy and Astrophysics 686 (2024) A178 (год публикации - 2024)
10.1051/0004-6361/202449163

6. Куденко М.А., Троицкий С.В. Anomalous cosmic-ray correlations revisited with a complete full-sky sample of BL Lac type objects. JETP Letters, JETP Letters 119 (2024) 335 (год публикации - 2024)
10.1134/S0021364024600034

7. Троицкий С.В. Towards a model of photon-axion conversion in the host galaxy of GRB 221009A. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, JCAP 01 (2024) 016 (год публикации - 2024)
10.1088/1475-7516/2024/01/016

8. Кузнецов М.Ю. A nearby source of ultra-high energy cosmic rays. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, JCAP 04 (2024) 042 (год публикации - 2024)
10.1088/1475-7516/2024/04/042

9. Долгих К., Корочкин А., Рубцов Г.И., Семикоз Д.В., Ткачев И.И. Images of the Ultra-High Energy Cosmic Rays from Point Sources. Advances in Space Research, Adv. Space Res. 74 (2024) 5295 (год публикации - 2024)
10.1016/j.asr.2024.07.081

10. Сатунин П.С., Шарофеев А. Shower formation constraints on cubic Lorentz Invariance Violation parameters in quantum electrodynamics. European Physical Journal C, Eur. Phys. J. C 84 (2024) 793 (год публикации - 2024)
10.1140/epjc/s10052-024-13152-3

11. Троицкий С.В. Stellar evolution and axion-like particles: new constraints and hints from globular clusters in the GAIA DR3 data Письма в ЖЭТФ/JETP Letters (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
С помощью данных наземной решетки детекторов Telescope Array подтверждены корреляции направлений прихода части первичных частиц широких атмосферных ливней с энергиями выше 10^19 эВ с лацертидами, что указывает на существование нейтральных частиц сверхвысоких энергий, способных достичь наблюдателя от космологически удаленных источников. Описание этого результата требует физики за пределами Стандартной модели частиц и взаимодействий. Определена доля потока (0.66+-0.25)%, исследованы особенности и анизотропия связанных с лацертидами событий. Сформулированы гипотезы о параметрах аксионоподобной частицы, которая одновременно объясняла бы различные результаты проекта по аномальной прозрачности Вселенной для гамма-излучения разных диапазонов энергий. С использованием результатов по эволюции звезд в семи шаровых скоплениях по данным Gaia (Data Release 3) получено ограничение сверху на константу взаимодействия аксионоподобных частиц с электронами, g_{ae}< 5.2*10^{-14} (95\% CL), и указание (3.3 sigma) на ненулевое взаимодействие аксионоподобной частицы с фотоном, g_{a\gamma}=(6.5+1.1-1.3)*10^{-11} 1/ГэВ. Полученное ограничение на электронное взаимодействие является наиболее строгим в мире, а константа взаимодействия с фотонами попадает в область, предсказанную из аномальной прозрачности Вселенной в предыдущих работах, выполненных по проекту. Построено теоретическое описание смешивания в системе более одного типа аксионоподобных частиц с фотоном. Изучено влияние модификации смешивания на астрофизические ограничения на модели ALP. Показано, что в моделях с более чем одной аксионоподобной частицей существенно меняются ограничения на параметры таких частиц, полученные с помощью аксионных гелиоскопов. В то же время ограничения, полученные из эволюции звезд, остаются надежными. Предложено объяснение наблюдаемого избытка мюонов в широких атмосферных ливнях по сравнению с предсказаниями моделей с помощью модификации описания электромагнитного взаимодействия с небольшим, экспериментально разрешенным отклонением от Лоренц-инвариантности. Показано, что величина и энергетическая зависимость мюонного избытка согласуются с масштабом нарушения Лоренц-инвариантности порядка 10^16 ГэВ. Из данных по содержанию мюонов в ШАЛ поставлено ограничение на этот масштаб, >2.4*10^14 ГэВ (95% CL), наиболее строгое в мире для данного типа нарушения.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта и разработанные методы могут быть использованы для решения важнейших задач фундаментальной физики и астрофизики. Полученные в ходе выполнения проекта наиболее строгие в мире ограничения на модели новой физики и указания на явления за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц имеют далеко идущие междисциплинарные следствия. В ходе работы над проектом были разработаны новые методы машинного обучения и анализа больших объемов данных, которые могут иметь применения во многих областях. Участвующие в проекте студенты и аспиранты получили высокую квалификацию в этих вопросах, а старшие члены коллектива уже включают результаты проекта и разработанные методы в свои лекционные курсы.