На глубине 3,5 километров под водой ученые нашли потрясающе энергичную частицу из космоса

На глубине трех с половиной километров под Средиземным морем, примерно в 80 км от побережья Сицилии, лежит половина очень необычного телескопа для обнаружения частиц из космоса под названием KM3NeT.

Огромное устройство все еще находится на стадии строительства, но научная команда телескопа объявила, что уже обнаружила частицу из космоса с потрясающей энергией.

На самом деле, как сообщила команда в журнале Nature, они нашли самое энергичное нейтрино, которое кто-либо когда-либо видел — и это является огромным скачком вперед в исследовании неизведанных вод экстремальной Вселенной.

Чтобы объяснить, почему это такое выдающееся открытие, нам нужно понять, что такое KM3NeT, что он ищет и что увидел.

Что такое KM3NeT?

KM3NeT — это гигантский глубоководный телескоп, он строится международной командой, в которую входят более 300 ученых и инженеров из 21 страны.

На площадке возле Сицилии, а также у побережья Прованса во Франции, KM3NeT будет состоять из более 6 000 световых детекторов, которые будут висеть в кромешной темноте глубин. Когда телескоп будет завершен, он будет охватывать около кубического километра моря.

На глубине KM3NeT защищен от обычных источников света, таких как Солнце. Он также защищен от других частиц, таких как электроны и протоны, которые поглощаются водой задолго до того, как достигнут детекторов. Что же он видит?

Что ищет KM3NeT?

Из всех частиц, которые открыли физики, только неуловимое нейтрино может добраться до KM3NeT.

Нейтрино — это элементарная частица, которая не имеет электрического заряда и имеет очень малую массу. Она взаимодействует с веществом настолько слабо, что может пройти сквозь километры океана — и даже тысячи километров самой Земли — чтобы достичь детектора. Вот почему KM3NeT находится на дне моря: чтобы видеть нейтрино, и только нейтрино.

Но разве нейтрино не пройдут сквозь детектор? Да, почти все.

Но очень редко нейтрино врезается прямо в молекулу воды. Когда это случается, оно может нанести огромный удар.

Энергия нейтрино может создать гораздо больше частиц. Когда эти частицы пролетают сквозь воду, они создают голубоватое свечение. Это то, что видят детекторы KM3NeT.

Анимация, показывающая вид сбоку и сверху частицы, которая проходит через сетку детекторов и вызывает их загорание.

Анализируя этот голубой свет и определяя время каждой вспышки, ученые могут реконструировать начальную энергию нейтрино и направление, откуда оно пришло.

Самое энергичное нейтрино из когда-либо обнаруженных

13 февраля 2023 года KM3NeT обнаружил нейтрино, которое двигалось настолько быстро, что имело в 30 раз больше энергии, чем любое ранее обнаруженное.

Эта энергия составляет 220 петелектронвольт, но для физика, который не занимается физикой элементарных частиц, это немного значит. Это трудно представить, но давайте попробуем.

Нейтрино имеет в 100 триллионов раз больше энергии, чем обычная частица в центре Солнца. Это в триллион раз больше энергии, чем у медицинского рентгеновского излучения, и в 10 миллиардов раз больше, чем у самых опасных радиоактивных частиц. Самые большие ускорители частиц на Земле не могут создать частицу даже с одной десятитысячной частью этой энергии.

Короче говоря: это очень много энергии для одной частицы.

Создание нейтрино в космосе

Нейтрино очень слабо взаимодействуют с материей, так как могло одно нейтрино получить такую большую энергию? Какое космическое событие могло создать такую частицу?

Это и есть самая интересная часть: мы не знаем.

Мы знаем, что во Вселенной происходят колоссальные взрывы, такие как сверхновые, когда звезда исчерпывает свое топливо и коллапсирует. Существуют также гамма-вспышки, которые являются еще более энергичными взрывами сверхмассивных звезд, или столкновения нейтронных звезд. Они создают чрезвычайно энергичные нейтрино.

Но есть и другие варианты. Сверхмассивные черные дыры в центре галактик имеют в миллионы и миллиарды раз большую массу, чем Солнце.

Когда материя поглощается этими черными дырами, она ускоряется до экстремальных скоростей и вращается вокруг интенсивных магнитных полей. Частицы, которые не были поглощены, могут вылетать на экстремальных скоростях. Эти «активные галактические ядра» — еще один способ, которым вселенная может создавать нейтрино с экстремальными скоростями.

В-третьих, нейтрино могут возникать более локально (с космической точки зрения). Взрывы и активные галактические ядра также создают космические лучи: чрезвычайно энергичные протоны и электроны.

Они могут двигаться через вселенную к нам, прежде чем столкнуться с частицей света на своем пути. Это столкновение может создать энергичное нейтрино.

Как мы можем найти источник?

Вот здесь и появляется австралийская связь. KM3NeT говорит нам, что это нейтрино пришло из определенного места в южном небе.

Если оно происходит от экстремального взрыва или активного галактического ядра, мы можем надеяться обнаружить источник с помощью других телескопов. В частности, как остатки сверхновых, так и активные галактические ядра можно обнаружить с помощью радиоволн.

Австралия имеет самые большие радиотелескопы в южном полушарии. Австралийский квадратно-километровый радиотелескоп ASKAP (Australian Square Kilometre Array Pathfinder) нанес на карту значительную часть южного неба и нашел много остатков сверхновых и активных галактических ядер.

Мы с коллегами из Университета Западного Сиднея используем ASKAP, чтобы отслеживать обнаружения KM3NeT, подобные этому. Для этого конкретного нейтрино нет очевидных кандидатов на радионебе, откуда оно пришло.

Однако KM3NeT не дает очень точной позиции, поэтому мы не можем быть полностью уверены. Мы будем продолжать искать.

KM3NeT все еще находится на стадии строительства, а ASKAP продолжает исследовать небо. Наше окно в экстремальную вселенную только открывается.