Teleskop neutrinowy pod powierzchnią Morza Śródziemnego, jak działa KM3NeT?

Teleskop neutrinowy KM3NeT, składający się z sieci czujników rozmieszczonych pod powierzchnią Morza Śródziemnego, próbuje wychwycić tajemnicze cząstki znane jako neutrina. Zbadanie ich pomoże astronomom rozwiązać tajemnice kosmosu.

.Jak tłumaczą naukowcy z europejskiego projektu KM3NeT, misją niezwykłęgo teleskopu znajdującego się pod powierzchnią Morza Śródziemnego jest wykrywanie niezwykłych subatomowych cząstek zwanych neutrinami, które mogą swobodnie podróżować przez Wszechświat –przechodząc nawet przez planety i gwiazdy – niosąc informacje o wydarzeniach mających miejsce daleko poza naszym Układem Słonecznym.

13 lutego 2023 r. KM3NeT wykrył intensywny błysk czystej energii, którego źródłem było najsilniejsze neutrino, jakie kiedykolwiek zaobserwowano – 30 razy bardziej energetyczne niż jakiekolwiek odnotowane poprzednio. Od tego czasu naukowcy próbują ustalić, skąd pochodziło.

Neutrina zostały teoretycznie opisane po raz pierwszy w latach 30. XX wieku, a wykryto je kilkadziesiąt lat później. Są one jednymi z najliczniejszych cząstek we Wszechświecie, ale jednocześnie najbardziej nieuchwytnymi. Każdej sekundy miliardy z nich przechodzą przez nasze ciała, nie pozostawiając śladu. Nie mają one ładunku elektrycznego i prawie nie mają masy – są co najmniej milion razy lżejsze od elektronów – i rzadko wchodzą w interakcje z materią, co sprawia, że są niezwykle trudne do wykrycia. To właśnie ta widmowa właściwość sprawia, że są one tak fascynujące dla fizyków.

„Neutrina są obecnie najciekawszymi cząstkami. Otacza je wiele tajemnic. Są najmniej poznanymi cząstkami elementarnymi” – mówi Paschal Coyle z French National Centre for Scientific Researc.

Ponieważ neutrina mogą przemierzać Wszechświat bez bycia pochłanianymi, zdaniem astronomów, przenoszą one niezmienione informacje z najbardziej ekstremalnych środowisk znanych nauce takich jak eksplodujące gwiazdy, czarne dziury i katastroficzne kosmiczne kolizje. Lepsze poznanie tych tajemniczych cząstek może ujawnić, jak działa kosmos, a nawet dlaczego w ogóle istnieje materia.

„Neutrina są najbliższą nicości rzeczą, jaką możemy sobie wyobrazić – są kluczem do pełnego zrozumienia działania Wszechświata” – podkreśla Paschal Coyle.

Jak opisują naukowcy, czasami neutrino uderza w jądro atomowe, tworząc deszcz cząstek z emisji wtórnej. W gęstym, przezroczystym materiale, takim jak lód lub woda, zderzenie to powoduje emisję słabego niebieskiego błysku światła znanego jako promieniowanie Czerenkowa. Czujniki teleskopu KM3NeT są zaprojektowane tak, aby wychwycić ten właśnie sygnał. Ten rodzaj obserwacji wykorzystywany jest również przez inne teleskopy neutrinowe, takie jak IceCube na Antarktydzie i Super-Kamiokande w Japonii. IceCube skanuje lód polarny, podczas gdy KM3NeT obserwuje wody Morza Śródziemnego.

KM3NeT jest, jak podkreślają astronomowie, jedną z flagowych infrastruktur badawczych Europy i jednym z najbardziej ambitnych projektów naukowych na świecie. Jest wspierany przez międzynarodowe konsorcjum i opłacany z funduszy Unii Europejskiej i krajów w nim uczestniczących.

Teleskop składa się z dwóch oddzielnych instalacji. Pierwszą z nich jest ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), zlokalizowana u wybrzeży Sycylii, została zaprojektowana do śledzenia neutrin o wysokiej energii pochodzących z głębokiego kosmosu. Druga – ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), położona w pobliżu Tulonu we Francji, koncentruje się uchwyceniu zachowania i masy neutrin.

.Każda z części teleskopu składa się z połączonych szklanych kul wielkości piłki do koszykówki, zawierających czujniki optyczne. Urządzenia te wznoszą się z dna morskiego na ponad kilometr w stronę powierzchni. Ponad tysiąc modułów zostało już zainstalowanych, a do 2027 r. inżynierowie planują zainstalować 6 tysięcy. Cały teleskop zajmuje ogromną powierzchnię i próbuje uchwycić te rzadkie błyski.

Neutrino wykryte w 2023 roku, nazwane KM3-230213A, jak opisują naukowcy miało ładunek energetyczny wynoszący 220 petaelektronowoltów (PeV) – niezwykle dużą wartość dla pojedynczej cząstki i niemal niemożliwą w fizyce cząstek elementarnych. Badaczom wciąż nie udało się rozwiązać tajemnicy niezwykłego zdarzenia.

Neutrina pochodzą z różnych źródeł – od reakcji jądrowych zasilających gwiazdy po eksplodujące supernowe oraz wiele innych wysokoenergetycznych zjawisk kosmicznych. Jak wskazują astronomowie, jedna z teorii głosi, że najbardziej energetyczne z nich powstają z blazarów – aktywnych galaktyk, których supermasywne czarne dziury wyrzucają strumienie energii w otaczającą przestrzeń. Inną możliwością jest to, że wysokoenergetyczne promieniowanie kosmiczne, przemierzające Wszechświat, zderza się z fotonami światła, generując neutrina. Jeśli KM3-230213A powstało w ten sposób, sugerowałoby to, że cząsteczki te są bardziej powszechne niż sądzono.

„Wciąż udoskonalamy obliczenia, aby ustalić dokładne pochodzenie tej wykrytej niezwykle energetycznej cząstki. W najbliższym czasie mamy nadzieję, mieć znacznie dokładniejszy pomiar tego skąd może ona pochodzić. Jeśli jej źródłem okaże się blazar, to będzie to bardzo ekscytujące. Jeśli jest cząstką kosmogenną, to również będzie to niezwykłe” – twierdzi Aart Heijboer z Dutch National Institute for Subatomic Physics.

Podczas gdy ARCA poszukuje źródła najpotężniejszych cząstek we Wszechświecie, ORCA skupia się na tym, jak zachowują się neutrina i jak zmienia się ich masa w czasie podróży przez przestrzeń kosmiczną. Lepsze poznanie zmian w nich zachodzących pomoże w usprawnieniu Modelu standardowego – teorii opisującej fizykę cząstek podstawowych.

Jak opisują astronomowie, po Wielkim Wybuchu 13,7 miliarda lat temu materia i antymateria powinny były się wzajemnie zniszczyć, pozostawiając tylko pustą przestrzeń. Jednak część zwykłej materii przetrwała, a kluczem do wyjaśnienia tego zjawiska mogą być właśnie neutrina i to jak się zachowują i zmieniają swoją masę, zwłaszcza jeśli okażą się one własnymi antycząstkami – jest to hipoteza, którą chcą przetestować badacze.

.Jak podkreślają naukowcy, każdy uchwycony błysk światła głęboko pod powierzchnią Morza Śródziemnego może zawierać wiadomość o narodzinach Wszechświata, a nawet wskazówkę, dlaczego istnieje wszystko co obserwujemy, a nie nic.

Oprac. EG