Высокоэнергичные космические лучи, проникая в межзвёздную среду или в атмосферу Земли, порождают каскады вторичных частиц. Среди этих частиц особую роль играют нейтрино, которые образуются в результате распадов нестабильных мезонов и лептонов. Основными каналами генерации нейтрино являются:
распады пионов и каонов:
π+ → μ+ + νμ, π− → μ− + ν̄μ
с последующими распадами мюонов
μ+ → e+ + νe + ν̄μ, μ− → e− + ν̄e + νμ
распады тяжёлых мезонов (например, D-мезонов и B-мезонов), возникающих в результате ядерных столкновений при сверхвысоких энергиях. Эти процессы дают нейтрино чрезвычайно высоких энергий, так называемую “prompt”-компоненту.
взаимодействия протонов с фотонами (pγ-процессы), особенно вблизи астрофизических источников высокой энергии (активные ядра галактик, гамма-всплески), где протон сталкивается с интенсивным полем излучения, образуя пионы и, как следствие, нейтрино.
При попадании космического луча в атмосферу начинается развитие каскада ядерных взаимодействий. Первичные протоны и ядра сталкиваются с атомами воздуха, рождая каскады мезонов. Эти мезоны, распадаясь, формируют поток нейтрино. Спектр атмосферных нейтрино имеет крутой спад с ростом энергии, что связано с конкуренцией процессов: при больших энергиях вероятность взаимодействия мезонов в атмосфере становится выше, чем вероятность их распада.
Характерные особенности атмосферных нейтрино:
Вне атмосферы источниками нейтрино являются объекты, где космические лучи ускоряются и взаимодействуют с материей или излучением. К таким объектам относят:
Астрофизические нейтрино обладают крайне высокой проникающей способностью и практически не взаимодействуют с материей и магнитными полями. Поэтому они несут прямую информацию о процессах, протекающих в глубине астрофизических источников, недоступных для наблюдения в электромагнитном диапазоне.
Первичное соотношение flavors нейтрино при распадах мезонов примерно равно:
νe : νμ : ντ ≈ 1 : 2 : 0
Однако на космологических расстояниях нейтрино испытывают осцилляции, и к моменту прихода на Землю распределение между flavor-компонентами стремится к состоянию близкому к равновесному:
νe : νμ : ντ ≈ 1 : 1 : 1
Этот эффект играет фундаментальную роль при интерпретации данных нейтринных обсерваторий.
Из-за чрезвычайно малой сечения взаимодействия нейтрино обнаружение их потоков является сложной экспериментальной задачей. Используются гигантские объёмы вещества, в которых регистрируются редкие события взаимодействия нейтрино:
Эти установки фиксируют либо треки мюонов, рождающихся при взаимодействии мюонных нейтрино, либо электромагнитные и адронные каскады от взаимодействий электронных и тау-нейтрино.