Обсерваторія на дні Середземного моря зафіксувала нейтрино з рекордною кількістю енергії

За допомогою обсерваторії, яку будують глибоко під Середземним морем недалеко від Сицилії, вчені виявили примарну субатомну частинку, нейтрино, яка має рекордну енергію, що стало ще одним важливим кроком до розуміння деяких катаклізмів у Всесвіті.

Дослідники, що входять до складу колаборації KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope), вважають, що нейтрино прийшло з-за меж галактики Чумацький Шлях. Як можливі точки походження вони назвали 12 надмасивних чорних дір, що активно поглинають навколишню матерію в центрі далеких галактик, хоча нейтрино могло виникнути і з іншого джерела.

До складу KM3NeT входять два великі нейтринні детектори на дні Середземного моря. Один під назвою ARCA розташований на глибині 3 450 метрів недалеко від Сицилії і призначений для пошуку високоенергетичних нейтрино. Інший під назвою ORCA розташований на глибині 2 450 метрів недалеко від Провансу, Франція і призначений для виявлення низькоенергетичних нейтрино.

Нещодавно описане нейтрино «надвисокої енергії», виявлене ARCA в лютому 2023 року, мало енергію близько 120 квадрильйонів електронвольт.

Воно було в 30 разів енергійнішим за будь-яке інше нейтрино, виявлене на сьогоднішній день, у квадрильйон разів енергійніше за частинки світла, звані фотонами, і в 10 000 разів енергійніше за частинки, які створюють найбільший і найпотужніший у світі прискорювач частинок — Великий адронний колайдер під Женевою.

«Це абсолютно невивчена область енергії», — сказав фізик Пашаль Койл із Марсельського центру фізики елементарних частинок (CPPM) у Франції, один із керівників дослідження, опублікованого в середу в журналі Nature.

«Енергія цього нейтрино виняткова», — додав фізик Аарт Хейбоер із Національного інституту субатомної фізики Ніхеф у Нідерландах, ще один із дослідників.

Нейтрино пропонують вченим інший спосіб вивчення космосу, не заснований на електромагнітному випромінюванні — світлі. Багато аспектів Всесвіту неможливо зрозуміти за допомогою одного лише світла.

Нейтрино електрично нейтральні, їх не порушує навіть найсильніше магнітне поле, і вони рідко взаємодіють з речовиною. Подорожуючи космосом, нейтрино безперешкодно проходять крізь матерію — зірки, планети або щось іще.

Це робить їх «космічними посланцями», бо вчені можуть простежити їхній шлях до джерела — у межах Чумацького Шляху або в інших галактиках — і таким чином дізнатися про деякі з найенергійніших процесів у космосі.

«Нейтрино — це частинки-привиди. Вони проходять крізь стіни, крізь Землю і через край Всесвіту», — каже Койл. «У нейтрино нульовий заряд, нульовий розмір, майже нульова маса і майже нульова взаємодія. Вони найближче до ніщо, яке тільки можна собі уявити, але, тим не менш, вони є ключем до повного розуміння Всесвіту».

Інші високоенергетичні космічні посланці, що проносяться крізь простір, не настільки надійні. Наприклад, шлях космічних променів викривляється магнітними полями, тому їх неможливо відстежити до місця походження.

Виявити нейтрино не так просто, для цього потрібні великі обсерваторії, розташовані глибоко під водою або в льодах. Ці середовища являють собою великий і прозорий об'єм, в якому нейтрино, що пролітає, може взаємодіяти з часткою, створюючи спалах світла, званий черенковським випромінюванням.

Дослідники дійшли висновку, що нейтрино, виявлене в ARCA, — тип нейтрино, званий мюоном, — має космічне походження, ґрунтуючись на його горизонтальній траєкторії та тому факті, що воно пройшло близько 140 км через скелі й морську воду, перш ніж досягло детектора.

Детектори KM3NeT все ще перебувають у стадії будівництва і поки не досягли своїх повних можливостей.

Нейтрино утворюються внаслідок різних астрофізичних процесів за різних рівнів енергії. Наприклад, низькоенергетичні нейтрино народжуються в процесах ядерного синтезу всередині зірок.

Високоенергетичні нейтрино виникають під час зіткнень частинок впродовж таких бурхливих подій, як чорна діра, що жадібно пожирає падаючу матерію, або сплески гамма-випромінювання під час вибухової загибелі зірок. Вони також можуть виникати під час взаємодії високоенергетичних космічних променів із фоновим випромінюванням Всесвіту.

Вивчення нейтрино все ще перебуває на стадії становлення.

«Чому це важливо? По суті, це просто спроба зрозуміти, що відбувається в космосі», — каже Хейбоер.