Высокоэнергетическое космическое нейтрино открыто физиками на дне Средиземного моря

С помощью обсерватории, строящейся глубоко под Средиземным морем недалеко от Сицилии, ученые обнаружили призрачную субатомную частицу, называемую нейтрино, обладающую рекордной энергией, что стало еще одним важным шагом к пониманию некоторых катаклизмов во Вселенной.

Исследователи, входящие в состав коллаборации KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope), полагают, что нейтрино пришло из-за пределов галактики Млечный Путь. В качестве возможных точек происхождения они назвали 12 сверхмассивных черных дыр, активно поглощающих окружающую материю в центре далеких галактик, хотя нейтрино могло возникнуть и из другого источника.

В состав KM3NeT входят два больших нейтринных детектора на дне Средиземного моря. Один под названием ARCA расположен на глубине 3 450 метров недалеко от Сицилии и предназначен для поиска высокоэнергетических нейтрино. Другой под названием ORCA расположен на глубине 2 450 метров недалеко от Прованса, Франция и предназначен для обнаружения низкоэнергетических нейтрино.

Недавно описанное нейтрино «сверхвысокой энергии», обнаруженное ARCA в феврале 2023 года, имело энергию около 120 квадриллионов электронвольт.

Оно было в 30 раз энергичнее любого другого нейтрино, обнаруженного на сегодняшний день, в квадриллион раз энергичнее частиц света, называемых фотонами, и в 10 000 раз энергичнее частиц, создаваемых самым большим и мощным в мире ускорителем частиц — Большим адронным коллайдером под Женевой.

«Это совершенно неизученная область энергии», — сказал физик Пашаль Койл из Марсельского центра физики элементарных частиц (CPPM) во Франции, один из руководителей исследования, опубликованного в среду в журнале Nature.

«Энергия этого нейтрино исключительна», — добавил физик Аарт Хейбоер из Национального института субатомной физики Нихеф в Нидерландах, еще один из исследователей.

Нейтрино предлагают ученым иной способ изучения космоса, не основанный на электромагнитном излучении — свете. Многие аспекты Вселенной невозможно понять с помощью одного лишь света.

Нейтрино электрически нейтральны, их не нарушает даже самое сильное магнитное поле, и они редко взаимодействуют с веществом. Путешествуя по космосу, нейтрино беспрепятственно проходят сквозь материю — звезды, планеты или что-то еще.

Это делает их «космическими посланниками», потому что ученые могут проследить их путь до источника — в пределах Млечного Пути или в других галактиках — и таким образом узнать о некоторых из самых энергичных процессов в космосе.

«Нейтрино — это частицы-призраки. Они проходят сквозь стены, сквозь Землю и через край Вселенной», — говорит Койл. «У нейтрино нулевой заряд, нулевой размер, почти нулевая масса и почти нулевое взаимодействие. Они ближе всего к ничто, которое только можно себе представить, но, тем не менее, они являются ключом к полному пониманию Вселенной».

Другие высокоэнергетические космические посланники, проносящиеся сквозь пространство, не столь надежны. Например, путь космических лучей искривляется магнитными полями, поэтому их невозможно отследить до места происхождения.

Обнаружить нейтрино не так просто, для этого требуются крупные обсерватории, расположенные глубоко под водой или во льдах. Эти среды представляют собой обширный и прозрачный объем, в котором пролетающее нейтрино может взаимодействовать с частицей, создавая вспышку света, называемую черенковским излучением.

Исследователи пришли к выводу, что нейтрино, обнаруженное в ARCA, — тип нейтрино, называемый мюоном, — имеет космическое происхождение, основываясь на его горизонтальной траектории и том факте, что оно прошло около 140 км через скалы и морскую воду, прежде чем достигло детектора.

Детекторы KM3NeT все еще находятся в стадии строительства и пока не достигли своих полных возможностей.

Нейтрино образуются в результате различных астрофизических процессов при различных уровнях энергии. Например, низкоэнергетические нейтрино рождаются в процессах ядерного синтеза внутри звезд.

Высокоэнергетические нейтрино возникают при столкновениях частиц во время таких бурных событий, как черная дыра, жадно пожирающая падающую материю, или всплески гамма-излучения во время взрывной гибели звезд. Они также могут возникать при взаимодействии высокоэнергетических космических лучей с фоновым излучением Вселенной.

Изучение нейтрино все еще находится на стадии становления.

«Почему это важно? По сути, это просто попытка понять, что происходит в космосе», — говорит Хейбоер.