Найбільш енергійна частинка з космосу знайдена на глибині 3,5 кілометрів під водою (ВІДЕО)

На глибині трьох з половиною кілометрів під Середземним морем, приблизно за 80 км від узбережжя Сицилії, лежить половина дуже незвичайного телескопа для виявлення частинок з космосу під назвою KM3NeT.

Величезний пристрій все ще перебуває на стадії будівництва, але наукова команда телескопа оголосила, що вже виявила частинку з космосу з приголомшливою енергією.

Насправді, як повідомила команда в журналі Nature, вони знайшли найенергійніше нейтрино, яке будь-хто коли-небудь бачив — і це є величезним стрибком вперед у дослідженні незвіданих вод екстремального Всесвіту.

Щоб пояснити, чому це таке видатне відкриття, нам потрібно зрозуміти, що таке KM3NeT, що він шукає і що він побачив.

Що таке KM3NeT?

KM3NeT — це гігантський глибоководний телескоп, який будується міжнародною командою, до якої входять понад 300 вчених та інженерів з 21 країни.

На майданчику біля Сицилії, а також біля узбережжя Провансу у Франції, KM3NeT складатиметься з понад 6 000 світлових детекторів, що висітимуть у непроглядній темряві глибин. Коли телескоп буде завершено, він охоплюватиме близько кубічного кілометра моря.

На глибині KM3NeT захищений від звичайних джерел світла, таких як Сонце. Він також захищений від інших частинок, таких як електрони й протони, які поглинаються водою задовго до того, як досягнуть детекторів. Що ж він бачить?

Що шукає KM3NeT?

З усіх частинок, які відкрили фізики, лише невловиме нейтрино може дістатися до KM3NeT.

Нейтрино — це елементарна частинка, яка не має електричного заряду і має дуже малу масу. Вона взаємодіє з речовиною настільки слабко, що може пройти крізь кілометри океану — і навіть тисячі кілометрів самої Землі — щоб досягти детектора. Ось чому KM3NeT знаходиться на дні моря: щоб бачити нейтрино, і тільки нейтрино.

Але хіба нейтрино не пройдуть крізь детектор? Так, майже всі.

Але дуже рідко нейтрино врізається прямо в молекулу води. Коли це трапляється, воно може завдати величезного удару.

Енергія нейтрино може створити набагато більше частинок. Коли ці частинки пролітають крізь воду, вони створюють блакитнувате світіння. Це те, що бачать детектори KM3NeT.

Анімація, що показує вигляд збоку і зверху частинки, яка проходить через сітку детекторів і викликає їхнє загоряння.

Аналізуючи це блакитне світло і визначаючи час кожного спалаху, вчені можуть реконструювати початкову енергію нейтрино і напрямок, звідки воно прийшло.

Найенергійніше нейтрино з коли-небудь виявлених

13 лютого 2023 року KM3NeT виявив нейтрино, яке рухалося настільки швидко, що мало в 30 разів більше енергії, ніж будь-яке раніше виявлене.

Ця енергія становить 220 петелектронвольт, але для фізика, який не займається фізикою елементарних частинок, це небагато значить. Це важко уявити, але давайте спробуємо.

Нейтрино має в 100 трильйонів разів більше енергії, ніж звичайна частинка в центрі Сонця. Це в трильйон разів більше енергії, ніж у медичного рентгенівського випромінювання, і в 10 мільярдів разів більше, ніж у найнебезпечніших радіоактивних частинок. Найбільші прискорювачі частинок на Землі не можуть створити частинку навіть з однією десятитисячною частиною цієї енергії.

Коротше кажучи: це дуже багато енергії для однієї частинки.

Створення нейтрино в космосі

Нейтрино дуже слабко взаємодіють з матерією, тож як могло одне нейтрино отримати таку велику енергію? Яка космічна подія могла створити таку частинку?

Це і є найцікавіша частина: ми не знаємо.

Ми знаємо, що у Всесвіті відбуваються колосальні вибухи, такі як наднові, коли зоря вичерпує своє паливо і колапсує. Існують також гамма-спалахи, які є ще більш енергійними вибухами надмасивних зірок, або зіткнення нейтронних зірок. Вони створюють надзвичайно енергійні нейтрино.

Але є й інші варіанти. Надмасивні чорні діри в центрі галактик мають в мільйони й мільярди разів більшу масу, ніж Сонце.

Коли матерія поглинається цими чорними дірами, вона прискорюється до екстремальних швидкостей і обертається навколо інтенсивних магнітних полів. Частинки, які не були поглинуті, можуть вилітати на екстремальних швидкостях. Ці «активні галактичні ядра» — ще один спосіб, у який всесвіт може створювати нейтрино з екстремальними швидкостями.

По-третє, нейтрино можуть виникати більш локально (з космічної точки зору). Вибухи та активні галактичні ядра також створюють космічні промені: надзвичайно енергійні протони та електрони.

Вони можуть рухатися через всесвіт до нас, перш ніж зіткнутися з частинкою світла на своєму шляху. Це зіткнення може створити енергійне нейтрино.

Як ми можемо знайти джерело?

Ось тут і з’являється австралійський зв’язок. KM3NeT каже нам, що це нейтрино прийшло з певного місця в південному небі.

Якщо воно походить від екстремального вибуху або активного галактичного ядра, ми можемо сподіватися виявити джерело за допомогою інших телескопів. Зокрема, як залишки наднових, так і активні галактичні ядра можна виявити за допомогою радіохвиль.

Австралія має найбільші радіотелескопи у південній півкулі. Австралійський квадратно-кілометровий радіотелескоп ASKAP (Australian Square Kilometre Array Pathfinder) наніс на карту значну частину південного неба і знайшов багато залишків наднових і активних галактичних ядер.

Ми з колегами з Університету Західного Сіднея використовуємо ASKAP, щоб відстежувати виявлення KM3NeT, подібні до цього. Для цього конкретного нейтрино немає очевидних кандидатів на радіонебі, звідки воно прийшло.

Однак KM3NeT не дає дуже точної позиції, тому ми не можемо бути повністю впевнені. Ми будемо продовжувати шукати.

KM3NeT все ще перебуває на стадії будівництва, а ASKAP продовжує досліджувати небо. Наше вікно в екстремальний всесвіт тільки відкривається.