Naukowcy wykryli pierwsze neutrino o ultrawysokiej energii

Niezwykłe zdarzenie odpowiadające pojawieniu się neutrino o szacowanej energii około 220 petaelektronowolt (220 x 10¹⁵ elektronowoltów) zostało wykryte przez detektor ARCA teleskopu neutrinowego Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3NeT) znajdującego się w głębinach morskich.

.To zdarzenie, nazwane KM3-230213A, jest najbardziej energetycznym neutrinem (cząstka elementarna należąca do leptonów), jakie kiedykolwiek zaobserwowano i stanowi pierwszy dowód na to, że te cząsteczki elementarne o tak wysokich energiach powstają we Wszechświecie. Badanie przeprowadzone przez naukowców z Centre national de la recherche scientifique (CNRS), zostało opublikowane w czasopiśmie Nature.

Wykryte zdarzenie zostało zidentyfikowane jako pojedynczy mion (nietrwała cząstka elementarna, należąca do leptonów), który przeleciał przez cały detektor, indukując sygnały w ponad jednej trzeciej aktywnych detektorów. Nachylenie jego trajektorii, w połączeniu z jego ogromną energią, dostarcza przekonujących dowodów na to, że ta cząsteczka pochodził z kosmicznego neutrino oddziałującego w pobliżu detektora.

Teleskop KM3NeT prowadzi obserwacje zakresu energii i czułości, w których wykryte neutrina mogą pochodzić z ekstremalnych zjawisk astrofizycznych. Ta pierwsza w historii detekcja neutrino o energii setek PeV (petaelektronowolt), może pomóc badaczom w obserwacjach i rozumieniu Wszechświata.

Wszechświat tak wysokich energii to najczęściej miejsce kataklizmów, takich jak akreujące supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk, eksplozje supernowych, wybuchy promieniowania gamma, z których wszystkie, jak dotąd, nie są w pełni zrozumiałe przez astronomów. Te potężne akceleratory kosmiczne generują strumienie cząstek zwanych promieniami kosmicznymi.

Niektóre promienie kosmiczne mogą wchodzić w interakcje z materią lub fotonami wokół swojego źródła, wytwarzając neutrina i fotony. Gdy najbardziej energetyczne promienie kosmiczne podróżują przez Wszechświat, niektóre z nich mogą również oddziaływać z fotonami kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, wytwarzając niezwykle energetyczne neutrina „kosmogeniczne”.

„Neutrina to jedne z najbardziej tajemniczych cząstek elementarnych. Nie mają ładunku elektrycznego, prawie nie mają masy i tylko słabo oddziałują z materią. Są specjalnymi kosmicznymi posłańcami, przynoszącymi nam unikalne informacje o mechanizmach związanych z najbardziej energetycznymi zjawiskami i pozwalającymi nam badać najdalsze zakątki Wszechświata” – wyjaśnia Rosa Coniglione z National Institute for Nuclear Physics we Włoszech.

Chociaż neutrina są drugą najliczniejszą cząstką we Wszechświecie po fotonach, ich słabe oddziaływanie z materią sprawia, że są bardzo trudne do wykrycia i wymagają ogromnych detektorów.

Teleskop neutrinowy KM3NeT, który jest obecnie w budowie, to gigantyczna infrastruktura znajdująca się w głębinach Morza Śródziemnego, złożona z dwóch detektorów, ARCA i ORCA. W swojej ostatecznej konfiguracji będzie zajmował objętość ponad jednego kilometra sześciennego.

KM3NeT wykorzystuje wodę morską jako medium oddziaływania neutrin. Jego zaawansowane technologicznie moduły optyczne wykrywają światło Czerenkowa – niebieskawą poświatę generowaną, gdy ultrarelatywistyczne cząstki (cząstki poruszające się z prędkością porównywalną do prędkością światła w próżni) wytwarzane w interakcjach neutrin rozchodzą się w wodzie.

„Określenie kierunku i energii odkrytego neutrino wymagało precyzyjnej kalibracji teleskopu i zaawansowanych algorytmów rekonstrukcji toru. Co więcej, ta niezwykła detekcja została osiągnięta przy użyciu zaledwie jednej dziesiątej ostatecznej konfiguracji detektora, co pokazuje ogromny potencjał naszego eksperymentu dla badań nad neutrinami i astronomii z nimi związanej” – mówi Aart Heijboer z Nikhef National Institute for Subatomic Physics w Holandii.

Jak tłumaczą astronomowie, detektor ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) został zaprojektowany przede wszystkim do badania neutrin o najwyższej energii i ich źródeł we Wszechświecie.

Znajduje się on na głębokości 3450 m, około 80 km od wybrzeża Portopalo di Capo Passero na Sycylii. Jednostki detekcyjne (DU) o wysokości 700 m są zakotwiczone na dnie morskim i rozmieszczone w odległości około 100 m od siebie.

Każda DU jest wyposażona w 18 cyfrowych modułów optycznych (DOM), z których każdy zawiera 31 fotopowielaczy (PMT). W ostatecznej konfiguracji ARCA będzie składać się z 230 jednostek detekcyjnych. Zebrane dane są przesyłane kablem podmorskim do stacji badawczej na brzegu.

Detektor ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) jest zoptymalizowany do badania podstawowych właściwości jakie posiada neutrino. Znajduje się on na głębokości 2450 m, około 40 km od wybrzeża Tulonu we Francji. Będzie składał się ze 115 DU, każdy o wysokości 200 m i odległości 20 m od siebie.

.Jak podsumowują naukowcy, to neutrino o ultrawysokiej energii może pochodzić bezpośrednio z jakiegoś kosmicznego kataklizmu. Choć, może to być również pierwsze wykrycie neutrino kosmogenicznego. Jednak na podstawie tego pojedynczego zdarzenia trudno jest określić jego pochodzenie.

Oprac. EG