Naukowcy poinformowali, że 13 lutego 2023 roku podwodny detektor KM3NeT u wybrzeży Sycylii zarejestrował rekordowe neutrino o szacowanej energii 120 petaelektronowoltów (PeV). Jego źródło nie zostało jeszcze zidentyfikowane.
Cząstki o wysokiej energii nieustannie docierają do Ziemi, ale w 2023 roku naukowcy zarejestrowali neutrino nadlatujące z głębokiego kosmosu z energią znacznie większą niż dotychczas wykrywane neutrina. W opublikowanym na łamach „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-024-08543-1) komunikacie, jego energię oszacowano na 120 petaelektronowoltów (PeV). Chociaż istnieje szeroki margines błędu w przypadku tego odkrycia, to nawet przy najniższych szacunkach jest to rząd wielkości powyżej wszystkich wcześniejszych detekcji.
Naukowcy skupieni w projekcie KM3NeT wykryli to zdarzenie dopiero na początki 2024 roku, gdy ukończyli analizę danych. O rekordowym odkryciu poinformowali w ubiegłym roku na konferencji w Mediolanie, ale nie ujawnili wówczas szczegółów.
Neutrina
Neutrina są ultralekkimi cząstkami elementarnymi. Nie posiadają ładunku elektrycznego, a znikoma masa pozwala im podróżować na ogromne odległości rzędów miliardów lat świetlnych. Powstają podczas szeregu procesów, takich jak rozpady radioaktywne, fuzja jądrowa w centrach gwiazd lub w wyniku eksplozji supernowych.
Choć obok fotonów są najbardziej rozpowszechnionymi cząstkami we Wszechświecie, to ciągle nie wiadomo o nich zbyt wiele. Neutrina bowiem nie podlegając wpływom pól magnetycznych i bardzo słabo oddziałują z materią. Na tyle słabo, że często określa się je mianem „cząstek-duchów”. Potrafią przenikać przez większość obiektów nie pozostawiając za sobą śladu. Materia wydaje się dla nich przeźroczysta. Uczeni szacują, że przez jeden centymetr kwadratowy powierzchni naszej planety zwróconej ku Słońcu co sekundę przelatuje 65 miliardów neutrin.
Neutrina bardzo trudno wykryć. Można to zrobić za pomocą bardzo czułych detektorów, dokładnie osłoniętych od promieniowania kosmicznego oraz od naturalnej promieniotwórczości. Cząstki te wychwytuje się w ogromnych basenach znajdujących się głęboko pod powierzchnią, wypełnionych wodą lub innymi substancjami. Neutrina bardzo rzadko wchodzą w interakcje, jednak gdy cząstka ta uderzy w jądro atomów tworzących wodę czy lód, powstaje kaskada innych cząstek, w tym elektronów czy mionów, które emitują światło promieniowania Czerenkowa. A to czułe detektory są w stanie wykryć.
KM3NeT
Jednym z takich detektorów jest będący w trakcie budowy KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope). To podwodny teleskop neutrinowy, którego zadaniem jest właśnie wykrywanie śladu neutrin. W ramach projektu wybudowano do tej pory dwa zestawy detektorów na dnie Morza Śródziemnego. Jeden – ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) znajduje się u wybrzeży Tulonu we Francji, drugi – ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) zbudowano u wybrzeży Sycylii we Włoszech. W planach jest jeszcze trzeci detektor, który ma powstać nieopodal Pylos u wybrzeży Grecji.
KM3NeT składa się z szeregów czułych detektorów światła umieszczonych w sferach z pleksi i zakotwiczonych na dnie morskim na głębokości około 3500 metrów. Te czujniki wychwytują światło emitowane przez wysokoenergetyczne, naładowane elektrycznie cząstki, takie jak miony. Miony nieustannie spadają na powierzchnię Ziemi. Powstają, gdy promienie kosmiczne uderzają w cząsteczki atmosfery. Jednak od czasu do czasu neutrino kosmiczne, które uderza w powierzchnię planety, również wytwarza mion oraz strumień innych naładowanych cząstek.
Rekordowa detekcja
Badacze wykryli właśnie taki mion o szacowanej energii 120 PeV. W publikacji wskazują, że ten mion najprawdopodobniej powstał w wyniku oddziaływania neutrina o jeszcze wyższej energii. Dodają też, że energia tego zdarzenia jest znacznie większa niż energia jakiegokolwiek neutrina wykrytego do tej pory.
Podczas wydarzenia z 2023 roku wykryto ponad 28 tys. fotonów, gdy cząstki wytworzone przez przejście neutrina rozprzestrzeniły się po detektorze. Badacze wskazują, że ścieżka neutrina była niemal pozioma względem powierzchni Ziemi, co oznacza, że neutrino musiało pokonać sporo skał i wody w skorupie ziemskiej, zanim uderzyło w atom w zasięgu „wzroku” KM3NeT.
Na podstawie wysokiej energii cząstki i jej niemal poziomej trajektorii zespół doszedł do wniosku, że mion prawdopodobnie został wytworzony nie przez promienie kosmiczne, ale właśnie neutrino.
Wysoka energia cząstki sugeruje też, że neutrino to mogło powstać w innym akceleratorze kosmicznym niż rejestrowane wcześniej neutrina o niższych energiach lub może to być pierwsze wykrycie neutrina powstałego z promieniowania kosmicznego o ultrawysokiej energii oddziałującego z fotonami promieniowania tła we Wszechświecie, wszechobecnym blasku Wielkiego Wybuchu.
Źródło: Nature, Science, Live Science, fot. Public Domain Pictures
