Нейтринные телескопы

Как поймать нейтрино из далёкой галактики

Д. В. Наумов

Новое окно во Вселенную

• Премия
• И что?
• Bert, Ernie и Big Bird

Фрэнсис Халзен.

IceCube, 6 октября 2026

Нобелевская премия по физике 2026 года

IceCube и открытие астрофизических нейтрино высоких энергий.

Д. Наумов — Ф. Халзену:
«Сердечно поздравляю вас и всю коллаборацию IceCube с заслуженной Нобелевской премией по физике! … Я Дмитрий Наумов, байкалец, из ОИЯИ (Дубна). Мы встречались несколько раз, последний — в столовой JUNO, где мы вместе обедали, и я даже „предсказал“ вашу Нобелевскую премию.»

Ф. Халзен — Д. Наумову:
«Дмитрий, я знаю вас со времён потока Наумова и прекрасно помню обед в столовой JUNO. Спасибо за очень тёплое письмо.»

Перевод с английского

1 ПэВ = 10¹⁵ эВ

в одном нейтрино

в миллиард раз больше, чем у нейтрино от Солнца

в сто с лишним раз больше, чем у протона в LHC

Не термояд. Тогда что? И где?

Положения датчиков — геометрия IceCube · картина света — модель · Bert и Ernie: IceCube 2013 · Big Bird: IceCube 2014, положение условное

Что такое нейтрино?

• Частица-невидимка
• Почему не свет?
• Цена вопроса

• Элементарная частица, как электрон, только без электрического заряда.
• Масса крошечная. Её точное значение до сих пор не измерено.
• Участвует только в слабом взаимодействии, то есть почти ни с чем не взаимодействует.
• Через ваш ноготь — примерно квадратный сантиметр — каждую секунду пролетает около 60 миллиардов нейтрино от Солнца.
• Почти все они проходят Землю насквозь. Мы их не замечаем.

• Свет поглощают пыль и газ. Свет очень высоких энергий гаснет даже на реликтовом излучении.
• Космические лучи — протоны и ядра — заряжены. Магнитные поля закручивают их, и направление на источник теряется.
• Нейтрино летит по прямой и выходит даже из плотного источника.

Нейтрино указывает прямо на источник.

• Нейтрино почти не взаимодействует. Значит, и наш детектор оно почти не замечает.
• Чтобы поймать хоть что-то, нужна огромная мишень: кубический километр воды или льда.
• Это около миллиарда тонн!
• В половине такого куба поместилось бы всё человечество.

Где взять такой детектор?

Одна точка — миллион человек · люди по странам и городам: Natural Earth · карта: NASA Blue Marble · 62 кг на человека: Walpole и др., 2012 · куб не в масштабе с планетой · облик людей условный

История нейтринных телескопов

Телескоп внутри природы

• Идея, 1960
• Марков и Понтекорво

Моисей Александрович Марков.

Большая мишень уже есть в природе.

• Опустим датчики света глубоко в озеро или море.
• Изредка нейтрино столкнётся с ядром и родит заряженную частицу.
• Частица светится в воде, и по этому свету мы восстановим её путь.

М. А. Марков, Рочестерская конференция, 1960, с. 578.

Ранний портрет, дата неизвестна. Архив ИЯИ РАН.

Марков (слева) и Бруно Понтекорво (справа), без даты. Исторический архив IceCube.

DUMAND: первая попытка в океане

• Люди и мечта
• 1979: Хабаровск и Байкал
• Декабрь 1993

Совещание DUMAND, 1976. Джон Лёрнед у доски; Джед Хирота (слева), Дик Дэвиссон (справа). Фото: Анатолий Петрухин, через IceCube.

Deep Underwater Muon And Neutrino Detector

• Райнес, Лёрнед и коллеги задумали массив в океане у Гавайев.
• Глубина почти 5 км: всю инженерию пришлось придумывать заново.
• 1987: прототип гирлянды, опущенный с корабля, увидел мюоны в глубине океана.

Лето 1979 года: совещание DUMAND проходит в Хабаровске и на Байкале.

• Чудаков, Березинский, Безруков, Долгошеин, Петрухин и Железных вместе с американской командой планируют глубоководный телескоп.
• Декабрь 1979: советские войска входят в Афганистан.
• 1980: американская сторона прекращает сотрудничество.

«…если среди них случайно окажутся русские, выяснится, что денег нет».

Артур Робертс, DUMAND (перевод)

1980: Чудаков предлагает строить «русский DUMAND» на Байкале.

C. Spiering, Eur. Phys. J. H 37, 515 (2012), arXiv:1207.4952, раздел 4.1; A. Roberts, Rev. Mod. Phys. 64, 259 (1992).

4800 м под поверхностью Тихого океана. Почти 500 атмосфер.

• Первая гирлянда подключена на дне. Она видит мюоны.
• Больше сотни гермовводов ведут кабели в прочные корпуса. Один — с дефектом.
• Морская вода просачивается внутрь. Примерно через десять часов — короткое замыкание.
• Предохранитель не срабатывает. Берег теряет связь.
• Январь 1994: акустический сигнал отцепляет гирлянду от дна.
• 1995: финансирование прекращено. Массив так и не построен.

В глубоком океане один разъём может решить судьбу эксперимента.

DUMAND Collaboration, astro-ph/9412019; C. Spiering, Eur. Phys. J. H 37, 515 (2012), arXiv:1207.4952.

Байкал: лёд как платформа

• Почему Байкал?
• Романтика
• Основатели
• Три гирлянды
• Первые нейтрино

Зимняя экспедиция, 2005. Архив ЛЯП ОИЯИ.

Место предложил Александр Чудаков.

• Глубокая и чистая вода недалеко от берега.
• Зимой озеро покрыто льдом. Это готовая платформа: гирлянды опускают прямо со льда.

Байкальский нейтринный эксперимент — самый романтичный в мире.

Зимняя экспедиция Baikal-GVD. Фото Б. Шайбонова.

Александр Евгеньевич Чудаков, 1985. Фотоархив ИЯИ.

Григорий Владимирович Домогацкий, 1980. Руководил байкальской нейтринной программой с 1980 года.

NT-36, апрель 1993

• 3 гирлянды, 36 модулей.
• Модули работают парами: сигнал засчитан, если оба ФЭУ сработали за 15 нс.
• Глубина 1,1 км.

«Поздравляю с победой в гонке трёх гирлянд!»

Фрэнсис Халзен — Кристиану Шпирингу (перевод)

Схема по Baikal Collaboration, astro-ph/9601161, раздел 2 и рис. 1 · ориентация пар — конфигурация 1994 года.

1980–84Лаборатория, изучение места, первые гирлянды 1993–94NT36: первые кандидаты в нейтрино 1996NT96: чёткий сигнал нейтрино, идущих снизу 1998NT200: 192 оптических модуля

Атмосферные нейтрино доказали: метод Маркова работает.

C. Spiering, исторический обзор (2024); статья о детекторе.

К кубическому километру

• AMANDA
• IceCube
• Команда

Участники AMANDA и оптические модули. Коллаборация AMANDA; без даты.

Антарктида, лёд Южного полюса

• Халзен, Лёрнед, Прайс, Морс, Барвик и коллеги пробуют полярный лёд.
• Неглубоко лёд полон пузырьков, и свет сильно рассеивается.
• Глубже пузырьки исчезают, и направления удаётся восстановить.

Последний оптический модуль, декабрь 2010. IceCube/NSF.

• 1999: предложение кубического километра.
• 2010: последняя из 86 гирлянд.
• 2013: открыт поток астрофизических нейтрино.

Первый строительный сезон IceCube, 2004–2005. Исторический архив IceCube/NSF.

Как работает нейтринный телескоп

Как поймать нейтрино?

• Детектор
• Пример события

Нам понадобятся:

• Огромная прозрачная мишень: вода или лёд.
• Темнота: датчики ловят отдельные фотоны.
• Глубина: километры воды или льда задерживают мюоны от космических лучей.
• Земля как щит: снизу, сквозь всю Землю, проходят только нейтрино.
• Решётка датчиков света с шагом в десятки метров.

IceCube, первые нейтрино с энергией около ПэВ · кружок — сработавший датчик, размер — сколько света, цвет — время (красный раньше, синий позже) · энергии и число датчиков из данных, картина света — модель, положение Big Bird условно

Черенковский свет

• Фильм
• Почему конус?

Золотой — заряд · голубые окружности — волновые фронты · белый — общий фронт · голубые стрелки — направление света.

• Частица летит в воде быстрее, чем свет в воде: \(v > c/n\).
• Она обгоняет собственные волны, и они складываются в общий фронт — конус.
• Так же катер оставляет за собой клин волн, а сверхзвуковой самолёт — ударную волну.
• Свет идёт поперёк этого фронта под углом \(\theta_C\), в воде около \(41^\circ\):

\[ \cos\theta_C=\frac{1}{n\beta}. \]

Почти единственная формула в основной части лекции.

Один фотон — измеримый сигнал

• Фотоумножитель
• Оптические модули

IceCube

Один ФЭУ диаметром 10 дюймов.

IceCube/NSF.

KM3NeT

31 трёхдюймовый ФЭУ.

Courtesy KM3NeT.

Baikal-GVD

Один ФЭУ диаметром 10 дюймов.

Baikal-GVD.

TRIDENT

ФЭУ и кремниевые фотоумножители. Прототип.

TRIDENT / TDLI, SJTU.

Треки и каскады

• Как читать картинку
• KM3NeT: трек
• IceCube: каскады
• Модель: трек
• Модель: каскад

Трек — KM3NeT

• Мюон пролетает через весь детектор.
• Направление измеряется точно: до долей градуса.

Каскад — IceCube

• Ливень частиц размером в несколько метров светит, как шар.
• Хорошо измеряется энергия, хуже — направление.

KM3NeT, KM3-230213A · IceCube/NSF, Big Bird.

Измеренные сигналы ФЭУ, восстановленный трек, иллюстративный конус. © KM3NeT. Официальный дисплей события.

Bert и Ernie, первые каскады с энергией около ПэВ: 1,04 ± 0,16 и 1,14 ± 0,17 ПэВ. IceCube Collaboration / IceCube–NSF · IceCube (2013)

Мюонное нейтрино, 1 ТэВ · вторичные частицы NTSim/Geant4, перенос света в воде LightHit · свечение — ожидаемые фотоэлектроны, цвет — время первого света · не разыгранные срабатывания и не данные · фронт света условный

Электронное нейтрино, 100 ГэВ · вторичные частицы NTSim/Geant4, перенос света в воде LightHit · свечение — ожидаемые фотоэлектроны, цвет — время первого света · не разыгранные срабатывания и не данные · фронт света условный

Откуда берутся нейтрино

Космические ускорители

• Звезду разрывает чёрная дыра
• Активные ядра галактик
• Гамма-всплески

Орбиты обломков рассчитаны, магнитный «двигатель» показан схематически.

• В центре галактики сидит сверхмассивная чёрная дыра.
• Газ падает на неё и закручивается в аккреционный диск.
• Магнитные поля забирают энергию вращения и выбрасывают джет — струю, летящую почти со скоростью света.
• Газ поступает долго, поэтому ядро может светить миллионы лет.
• Если джет направлен прямо на нас, такое ядро называют блазаром.

Blandford, Meier & Readhead, Relativistic Jets in AGN

• Коллапс массивной звезды или слияние двух нейтронных звёзд.
• Вещество падает на компактный остаток и на короткое время питает выброс почти со скоростью света.
• Двигатель работает секунды или минуты: это вспышка, а не постоянный источник.

P. Mészáros, Gamma-Ray Bursts

Как джет рождает нейтрино?

• Звезда в джете
• Цепочка
• Предел Ваксмана — Бакала
• Нейтрино → гамма

Сценарий и расчёт: Barkov, Aharonian & Bosch-Ramon (2010) · фильм иллюстрирует идею: упрощённая модель газа, протоны и нейтрино — схема.

• Джет ускоряет протоны.
• Протон налетает на ядро газа или на фотон.
• Рождаются пионы: \(\pi^+\), \(\pi^-\), \(\pi^0\).
• Заряженные пионы распадаются на мюоны и нейтрино, нейтральный — на два гамма-кванта.
• Нейтрино уносит примерно двадцатую часть энергии протона: за нейтрино с энергией 1 ПэВ стоит протон около 20 ПэВ.

• Где рождаются нейтрино, там рождаются и гамма-кванты.
• Вот только гамма-кванты могут застрять в источнике, а нейтрино выходят наружу.

Ahlers & Halzen (2018)

• Выше 100 ТэВ: возможно, нейтрино и космические лучи высших энергий рождаются в одних источниках.
• 10–100 ТэВ: предел для прозрачных источников превышен — видимо, часть нейтрино из скрытых, как ядро NGC 1068.

Потолок для нейтрино из космических лучей

• Космические лучи выше 10¹⁹ эВ измерены: известно, сколько энергии источники тратят на протоны.
• Мюонным нейтрино достаётся не больше четверти этой энергии.
• Потолок: около 10⁻⁸ ГэВ/(см²·с·ср) на один аромат.
• IceCube измерил поток на этом уровне, а на 10–100 ТэВ — примерно вдвое выше.

Waxman & Bahcall, PRD 59, 023002 (1999) · полоса: без эволюции источников и с эволюцией · Fermi-LAT, IceCube, Auger

Пересчёт: Ahlers & Murase (2014) · поглощение посчитано по EBL Domínguez et al. (2011) и реликтовому излучению · форма каскада схематична, энергия сохраняется · Murase, Ahlers & Lacki (2013), Murase, Guetta & Ahlers (2016)

Что мы уже знаем

Поток из космоса

• IceCube, 2013
• Байкал подтверждает

IceCube, май 2010 — май 2012

• 28 событий с энергией от 30 ТэВ до 1,2 ПэВ.
• От атмосферы ожидали около 10.
• Среди них Bert и Ernie.
• Чисто атмосферное происхождение отвергнуто на уровне \(4{,}1\sigma\).

Как читать σ и \(p\):

• \(p\) — вероятность получить такой избыток случайно, если космических нейтрино нет.
• σ — то же самое в «стандартных отклонениях»: чем больше σ, тем меньше \(p\).
• \(3\sigma\) — \(p\approx10^{-3}\), свидетельство; \(5\sigma\) — \(p\approx3\cdot10^{-7}\), открытие.

IceCube, Science (2013) · график — в приложениях

Baikal-GVD, 2018–2024

• 18 каскадов, пришедших снизу, с энергией выше 15 ТэВ.
• От атмосферы ожидали \(2{,}8\pm1{,}0\).
• Значимость \(5{,}1\sigma\).
• Другой детектор, вода вместо льда, другое полушарие — и тот же поток.

Baikal-GVD (2025) · график — в приложениях

Млечный Путь в нейтрино

• IceCube
• Анимация
• Байкал выше 200 ТэВ

IceCube Collaboration, Science (2023) · излучение плоскости Галактики, \(4{,}5\sigma\)

Модель Галактики иллюстративная · каскады Baikal-GVD выше 200 ТэВ и опубликованный тест

8 каскадов выше 200 ТэВ

• Они жмутся к плоскости Галактики.
• Baikal-GVD: \(p=1{,}4\cdot10^{-2}\).
• Вместе с IceCube: \(p=3{,}4\cdot10^{-4}\).
• Возможно, при самых высоких энергиях Галактика даёт больше, чем ожидали.

В. А. Аллахвердян и др. (Baikal-GVD) с Ю. Ю. Ковалёвым, А. В. Плавиным, Д. В. Семикозом, С. В. Троицким · ApJ 982, 73 (2025)

Первые источники

• NGC 1068
• TXS 0506+056

ESA/Hubble & NASA, L. C. Ho, D. Thilker

Сейфертовская галактика, около 47 млн световых лет

• Активное ядро спрятано за пылью.
• IceCube видит из этого направления избыток нейтрино: \(4{,}0\sigma\) за 13 лет.
• Нейтрино есть, а гамма-квантов ТэВ почти нет.
• Скорее всего, нейтрино рождаются в плотной области у самой чёрной дыры, откуда гамма-кванты не выходят.

IceCube (2026) · IceCube, Science (2022)

22 сентября 2017

• Нейтрино около 290 ТэВ.
• В его направлении вспыхивает блазар: его видят Fermi-LAT и MAGIC.
• Совпадение на уровне около \(3\sigma\).
• 2021: байкальский каскад 224 ТэВ из той же области неба. Это кандидат, ещё не доказательство.

IceCube и др., Science (2018) · Baikal-GVD, ICRC 2023

Рекорд: KM3-230213A

13 февраля 2023, Средиземное море

• Телескоп KM3NeT/ARCA.
• Мюон с энергией около 120 ПэВ пролетает почти горизонтально.
• Энергия нейтрино — около 220 ПэВ. Самое энергичное нейтрино из когда-либо зарегистрированных.
• Откуда оно пришло, пока неизвестно.

KM3NeT Collaboration · Nature (2025)

Что дальше

Как увидеть больше?

• Источник проступает на фоне постепенно, год за годом.
• Больше объём — больше событий.
• Точнее направления — меньше фона вокруг источника.
• Значимость растёт как корень из экспозиции и обратно пропорциональна угловой ошибке.

Иллюстрация: выдуманный источник силы NGC 1068, события смоделированы, значимость посчитана · это не прогноз для конкретного детектора.

Нейтринные телескопы мира

• Карта
• IceCube-Gen2
• KM3NeT
• Baikal-GVD
• Байкал → B-HUNT

Октябрь 2026 · береговые линии: Natural Earth

Южный полюс, лёд

• IceCube: 1 км³, работает.
• Upgrade: 5 новых гирлянд, установлены в 2026 году.
• Gen2: оптический массив 8 км³, проект.

Иллюстрация проекта Gen2. DESY, Science Communication Lab.

Средиземное море

• ARCA: около 1 км³ для нейтринной астрономии.
• ORCA: для нейтринных осцилляций.
• Строится и уже набирает данные.

Рисунок художника · Edward Berbee/Nikhef · KM3NeT

Байкал, пресная вода

• 2026: 16 кластеров, работает.
• Эффективный объём около 0,8 км³.
• Растёт каждую зиму: новые кластеры ставят со льда.

Конфигурация 2026 года. Baikal-GVD.

Россия + Китай · коллаборация Baikal-GVD и IHEP (Пекин) · ОИЯИ (2026)

Что мы хотим открыть?

Вопросы на шкале энергии · спектр: IceCube (2026) · резонанс Глэшоу: IceCube (2021) · KM3-230213A: KM3NeT (2025)

Где источники?

Нашли:

• нашу Галактику;
• NGC 1068 и другие сейфертовские галактики;
• кандидатов-блазаров.

Пока неясно:

• откуда приходит большая часть потока.

Дальше:

• большие телескопы и сети: B-HUNT, KM3NeT, IceCube-Gen2.

• Куда смотреть, мы уже знаем.
• Теперь надо разглядеть толпу слабых источников.

Кто это сделает?

• Телескопы строят и понимают люди.
• Учиться можно уже сейчас: курсы ФНАФЧ на teach-in.ru.

• Будут ли новые открытия? Конечно!
• Вопрос только в том, кто их сделает.

Приложения

Прозрачная Вселенная, непрозрачная Земля

• Сквозь Вселенную
• Сквозь Землю
• Томография
• Ядро на просвет

Мюонное нейтрино 1 ПэВ в средней барионной плотности сегодняшней Вселенной

\[ \bar n_{b,0}\simeq0{,}25\,\mathrm{m^{-3}},\qquad \sigma_{\nu N}^{\mathrm{CC+NC}}\simeq9{,}5\times10^{-34}\,\mathrm{cm^2} \]

• Примерно один нуклон на четыре кубических метра.

\[ \lambda_{\nu N,0}=\frac{1}{\bar n_{b,0}\sigma_{\nu N}} \simeq4{,}4\times10^{21}\ \mathrm{ly} \]

\[ \frac{\lambda_{\nu N,0}}{D_{\rm obs}}\simeq5\times10^{10},\qquad D_{\rm obs}\simeq93\times10^{9}\ \mathrm{ly} \]

• Длина свободного пробега в \(5\times10^{10}\) раз больше диаметра наблюдаемой Вселенной.
• ly — световой год.

Оценка для нашей эпохи без учёта эволюции Вселенной · PDG · сечения CSMS, табл. I

• По горизонтали — зенитный угол: \(90^\circ\) — горизонт, \(180^\circ\) — сквозь центр Земли.
• Цвет — доля потока у детектора. Нейтральный ток не убирает нейтрино, а снижает энергию.
• Пунктир — без этой регенерации.

Полный расчёт переноса: В. А. Аллахвердян (сечения CT10nlo, модель Земли PREM, детектор на глубине 1 км), перерисовано · диссертация (2026), рис. 4.20 · Аллахвердян, Завьялов, Наумов (2026), рис. 9

Год данных IceCube взвешивает Землю

• IC86, 2011–2012: 20 145 мюонов снизу с энергией 0,4–20 ТэВ; их распределение по углу отражает поглощение в Земле.
• Масса Земли: \(6{,}0^{+1{,}6}_{-1{,}3}\times10^{24}\) кг; по гравитации — \(5{,}9722\times10^{24}\) кг.
• Масса ядра: \(2{,}72^{+0{,}97}_{-0{,}89}\times10^{24}\) кг.
• Момент инерции: \((6{,}9\pm2{,}4)\times10^{37}\) кг·м²; по гравитации — \(8{,}017\times10^{37}\).
• Ядро плотнее мантии: для обратного случая \(p=0{,}011\).

Одно слабое взаимодействие, без гравитации, видит плотное ядро Земли.

68 % вероятности, модель атмосферного потока по умолчанию · A. Donini, S. Palomares-Ruiz, J. Salvado, Nature Physics 15, 37 (2019), arXiv:1803.05901

• Масса та же, профиль разный: PREM против однородной Земли плотностью 5,51 г/см³.
• Сквозь ядро (дальше \(147^\circ\)) при 30 ТэВ поглощается примерно на 20 % больше нейтрино, сквозь мантию — меньше.

Расчёт: PREM, сечения CSMS, детектор на глубине 1 км · только поглощение через заряженный ток; регенерация через NC и \(\tau\) не учтена

Как рождается свет: мюон и ливень

• Мюон
• Электронный ливень

\(\nu_\mu+N\longrightarrow\mu^-+X\)

\(\nu_e+N\longrightarrow e^-+X\)

Моделирование Geant4 · подписи в фильмах на английском.

Как восстанавливают направление

• Идея
• Модель

Предсказываем время для каждого датчика

\[ \cos\theta_C=\frac{1}{\beta n_{\rm phase}},\qquad t_i^{\rm pred}=t_0+\frac{s_i}{\beta c}+\frac{n_{\rm group}D_i}{c}. \]

• \(s_i\) — путь мюона до точки излучения.
• \(D_i\) — путь фотона до датчика.

Ищем направление, согласное с сигналами

\[ S=\frac{1}{2\sigma_t^2}\sum_{i,k} \left(t_{ik}^{\rm obs}-t_i^{\rm pred}\right)^2 \longrightarrow\min_{\theta,\phi,t_0}. \]

• Учебная модель: прямой мюон, однородная среда.
• Подбираются только направление и сдвиг времени.

Фоны

• Фоны детектора
• Нейтринный фон

Телескоп	Оптический фон	Импульсы на ФЭУ	Мюонные выборки
IceCube	шум ФЭУ и стекла	\(0{,}56\) кГц · 10 дюймов	\(2{,}7\) кГц · триггер IC86
KM3NeT	\(^{40}\mathrm K\) и биолюминесценция	\(\sim7\) кГц · 3 дюйма	\(\sim1\) Гц · ARCA6, восстановленные
Baikal-GVD	свечение воды	\(20–100\) кГц · 10 дюймов	\(\sim3\) Гц на кластер, восстановленные

Импульсы, триггеры и восстановленные события — разные уровни счёта · IceCube · KM3NeT · Baikal-GVD

1 км³ воды · нижняя полусфера · все ароматы, \(\nu+\bar\nu\) · CC+NC · до отбора событий.

От событий к потоку

• У горизонта: короткий путь сквозь Землю.
• Снизу: при высоких энергиях Земля поглощает нейтрино.
• Сверху: приходится подавлять атмосферные мюоны.
• \(A_{\mathrm{eff}}\) включает взаимодействие, распространение и отбор событий.

\[ N=T\sum_\alpha\int dE_\nu\,d\Omega\, \Phi_\alpha(E_\nu,\Omega)\,A_{\mathrm{eff},\alpha}(E_\nu,\Omega) \]

Иллюстративный отбор для точечного источника · оцифровано по Spiering (2026), рис. 6

Распады пионов

• Цепочки
• Энергия протона
• Фотоны и нейтрино

\[pp,\ p\gamma\ \longrightarrow\pi^\pm,\,\pi^0+X\]

Заряженный пион и мюон

\[ \begin{aligned} \pi^+&\to\mu^++\nu_\mu\\[0.5em] \mu^+&\to e^++\nu_e+\bar\nu_\mu \end{aligned} \]

Нейтральный пион

\[\pi^0\to\gamma+\gamma\]

• Нейтрино и гамма-кванты делят одну и ту же энергию.

\[ E_p\ \xrightarrow{\ \sim1/5\ } E_\pi \ \xrightarrow{\ \sim1/4\ } E_\nu \qquad\Longrightarrow\qquad E_p\sim20E_\nu \]

Нейтрино	Протон-родитель
\(10\) ТэВ	\(\sim200\) ТэВ
\(100\) ТэВ	\(\sim2\) ПэВ
\(1\) ПэВ	\(\sim20\) ПэВ

Оценка масштаба, а не пересчёт для отдельного события · охлаждение пионов и мюонов не учтено

\[pp:\quad N_{\pi^+}:N_{\pi^-}:N_{\pi^0}\simeq1:1:1\]

\[ E_\nu^2\Phi_\nu(E_\nu)\simeq\frac32 E_\gamma^2\Phi_\gamma(E_\gamma), \qquad E_\gamma\simeq2E_\nu \]

• В момент рождения, для \(pp\)-столкновений.
• Все ароматы нейтрино и антинейтрино вместе.
• Поглощение фотонов меняет сравнение с наблюдаемыми спектрами.

Ahlers & Halzen (2018), ур. 3

Три посланника, один энергетический бюджет

Нейтрино на один аромат · Fermi-LAT (2015) · IceCube (2026) · Auger (2020)

Графики к результатам

• IceCube, 2013
• Baikal-GVD: энергии каскадов
• Baikal-GVD выше 200 ТэВ

• Синее и красное — фон от атмосферы.
• Белые точки — данные.
• Фон быстро падает с энергией, а событий высоких энергий намного больше.

Перерисовано по IceCube, Science (2013), рис. 4

Оцифровано по Baikal-GVD (2025), рис. 2

ApJ 982, 73 (2025), перерисовано по табл. 1

Спектр космических нейтрино

• Измеренный спектр
• Резонанс Глэшоу и ароматы

• Наклон спектра меняется около 30 ТэВ.
• Один степенной закон отвергнут на уровне больше \(4\sigma\).

На один аромат, \(\nu+\bar\nu\) · перерисовано по IceCube, PRL (2026), рис. 3

\[\bar\nu_e+e^-\to W^-\to X\]

• Антинейтрино с энергией около 6,3 ПэВ рождает \(W\)-бозон, а тот распадается на адроны.
• Один ливень, декабрь 2016. Так умеют только антинейтрино.
• Семь кандидатов в тау-нейтрино: приходят все три аромата.

IceCube, Nature 591, 220 (2021) · тау-нейтрино: IceCube, PRL 132, 151001 (2024)

Гамма-бюджет и скрытые источники

• Прозрачные источники
• Компактная область

Пунктир: нейтрино · сплошные: рассчитанные фотоны · оцифровано по Zathul et al. (2026), рис. 2, CC BY 4.0

\[ \gamma+\gamma\to e^++e^-,\qquad E_\gamma\epsilon\gtrsim(m_ec^2)^2 \]

• Гамма-кванты поглощаются в плотном поле фотонов.
• Нейтрино выходят наружу.

Схема · Murase & Stecker

Активные ядра: подробнее

• NGC 1068: направление
• Рентгеновские ядра
• Радиоблазары

IceCube Collaboration · перерисовано по анализу 2026 года, рис. 2

47 ярких в рентгене ядер без NGC 1068 · ансамбль из 11 источников, \(3{,}3\sigma\) · свидетельство для популяции, не для 11 отдельных источников · IceCube

А. В. Плавин, Ю. Ю. Ковалёв, Ю. А. Ковалёв, С. В. Троицкий · ApJ 894, 101 (2020) · вопрос обсуждается: поиск IceCube по алертам значимой корреляции не находит.

Поиск точечных источников: Baikal-GVD

988 треков · 92 направления · апрель 2019 — март 2024 · спектр \(E^{-2}\), 90% CL · значимого избытка нет · Baikal-GVD (2026)

Ещё история

• Райнес
• Грейзен
• Шпиринг
• ANTARES

Фредерик Райнес (слева) и Клайд Коуэн, 1956. Los Alamos National Laboratory.

• 1956: первое прямое обнаружение нейтрино у реактора.
• Сначала обнаружить нейтрино, потом — нейтринная астрономия.

Кеннет Грейзен. Через C. Spiering.

• Грейзен, Райнес и Марков в 1960 году обсуждают регистрацию космических нейтрино.
• Подводная идея Маркова даёт практичный путь к огромной мишени.

Кристиан Шпиринг. Его группа из Цойтена присоединилась к Байкалу в 1988 году.

• Учёные, инженеры и зимние экспедиции превратили идею в работающий телескоп.
• Премия имени Маркова 2006 года — Домогацкому и Шпирингу за NT200+ и нейтринную астрофизику высоких энергий.

Объявление ИЯИ, 2006.

Рисунок художника: ANTARES и Nautile.

• 2008: собран детектор из 12 линий в Средиземном море.
• Долгая работа показала, что точная нейтринная астрономия в глубоком море возможна.
• ANTARES, NEMO и NESTOR подготовили KM3NeT.

Другие проекты

• P-ONE
• TRIDENT
• NEON
• HUNT

Тихий океан, Британская Колумбия

• Проект: около 1 км³, 70 гирлянд.
• Инфраструктура NEPTUNE (Ocean Networks Canada).
• Прототипы и отработка установки.

Южно-Китайское море

• Проект: 7,5 км³, 1211 гирлянд.
• Гибридные модули: ФЭУ и кремниевые фотоумножители.
• Разработки и пилотная программа.

Южно-Китайское море

• Проект: 10 км³, 1200 гирлянд.
• Многофотоумножительные модули.
• Предложение и разработка аппаратуры.

Китай + Россия · около 30 км³ · ФЭУ 20 дюймов

• Лёд — платформа: гирлянды ставят с замёрзшего озера каждую зиму.
• В воде свет рассеивается меньше, чем во льду, и направления каскадов точнее.
• Северное место: центр Галактики 75% суток под горизонтом.
• Партнёр в гамма-диапазоне: LHAASO смотрит на то же северное небо.

HUNT / IHEP, CAS