Nowoczesny teleskop neutrinowy KM3NeT zarejestrował kosmiczne neutrino o niespotykanej do tej pory energii Nadzwyczajne neutrino o energii szacowanej na około 220 PeV (220 milionów miliardów elektronowoltów) zostało zarejestrowane 13 lutego 2023 r. na głębokości 3500 metrów, u wybrzeży Sycylii w wodach Morza Śródziemnego, przez podwodny teleskop neutrinowy nowej generacji ARCA, w ramach eksperymentu KM3NeT. Ten przypadek został nazwany KM3-230213A i jest najbardziej energetycznym neutrinem, które kiedykolwiek zostało zaobserwowane.
Zespół naukowców z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH dołączył do eksperymentu KM3NeT z końcem 2024 r., podejmując się opracowania innowacyjnej metody rekonstrukcji neutrin przy użyciu sygnałów akustycznych.
Szacuje się, że neutrina o tak ekstremalnie dużych energiach występują niezwykle rzadko i mogą pochodzić wyłącznie z kosmosu. Można się spodziewać tylko jednego takiego przypadku na 100 tysięcy lat. Metody rekonstrukcji cząstek rozwijane w AGH mogą zwiększyć szansę na obserwację tak niezwykłych kosmicznych posłańców, jakimi są neutrina.
Praca nad rejestracją neutrin jest szczególnie trudna, ponieważ skutecznie unikają one detekcji, a procesów przesłaniających poznanie jest bardzo dużo. Niemniej jednak zespołowi ekspertów udało się dokonać takiego odkrycia dokładnie dwa lata temu.
12 lutego 2025 r. międzynarodowa współpraca KM3NeT ogłosiła szczegóły tego niezwykłego odkrycia, które zostały opublikowane w jednym z najbardziej prestiżowych czasopism naukowych jakim jest „Nature”. Artykuł dostępny jest na stronie: https://www.nature.com/articles/s41586-024-08543-1
Neutrino – kosmiczny posłaniec
Najbardziej energetyczne neutrino jakie kiedykolwiek zaobserwowano jest pierwszym dowodem na to, że we Wszechświecie rzeczywiście są produkowane neutrina o tak potężnych energiach. Tego rodzaju odkrycia otwierają nowe obszary badań w astronomii neutrinowej i dają nadzieję nowej perspektywy obserwacji Wszechświata. Eksperyment KM3NeT przyczynia się do pogłębiania naszej wiedzy o najbardziej odległych w czasie i przestrzeni zjawiskach astrofizycznych i procesach kosmologicznych.
Wszechświat o wysokiej energii to zestaw katastrofalnych wydarzeń, takich jak aktywne jądra galaktyk z supermasywnymi czarnymi dziurami, eksplozje masywnych gwiazd, tzw. supernowe, rozbłyski promieniowania gamma, obiekty o silnej grawitacji, tzw. czarne dziury, obłoki gazu i pyłu, czyli mgławice. W tych potężnych kosmicznych akceleratorach powstają strumienie cząstek, czyli promieniowanie kosmiczne. W wyniku oddziaływań cząstek promieniowania kosmicznego z materią i fotonami mogą powstawać neutrina i kolejne fotony. Część najbardziej energetycznych promieni kosmicznych podczas swojej podróży przez Wszechświat może również oddziaływać z fotonami mikrofalowego promieniowania tła, prowadząc do powstania „kosmogenicznych” neutrin o wyjątkowo olbrzymich energiach.
– Neutrina to jedne z najbardziej tajemniczych cząstek elementarnych. Nie mają ładunku elektrycznego, mają niemal zerową masę, a ich oddziaływania z materią są niezwykle rzadkie. Dzięki tym właściwościom są one wyjątkowymi kosmicznymi posłańcami, dostarczającymi nam unikatowych informacji o mechanizmach rządzących kosmicznymi zjawiskami oraz pozwalającymi na eksplorację najdalszych zakątków Wszechświata. Wyznaczenie kierunku neutrina na ziemi wskazuje dokładnie na ten obiekt, z którego zostało ono wysłane, nawet jeśli ten obiekt kosmiczny jest niewyobrażalnie daleko – wyjaśniają w komunikacie naukowcy zaangażowani w eksperyment KM3NeT.
Na czym polega eksperyment KM3NeT?
Chociaż neutrina, zaraz po fotonach, są niezwykle liczne we Wszechświecie i co sekundę około 100 miliardów na centymetr kwadratowy dociera na Ziemię, to ich wykrycie jest niezwykle trudne i wymaga specjalnie opracowanych, ogromnych detektorów. Teleskop neutrinowy KM3NeT to rozbudowana infrastruktura głębinowa obejmująca dwa detektory: ARCA i ORCA.
Specyfikę eksperymentu KM3NeT wyjaśnia fizyk z AGH, prof. Artur Ukleja:
– Infrastruktura badawcza KM3NeT aktualnie składa się z dwóch teleskopów. Mniejszy z nich ORCA jest dedykowany do badania neutrin o niższych energiach i znajduje się koło Tulonu, w głębinach wód Morza Śródziemnego. Większy zaś ARCA znajdujący się u wybrzeży Sycylii w wodach Morza Śródziemnego i jest dedykowany głównie do badania neutrin pochodzenia kosmicznego i to te kosmiczne neutrina mówią nam jaki jest nasz kosmos.
Infrastruktura jest zainstalowana pod wodą w następujący sposób:
– Mamy kulę, w której zainstalowanych jest 31 fotopowielaczy rejestrujących dookoła słabe światło promieniowania Czerenkowa. Tak naszpikowana fotopowielaczami kula detekcyjna nazywa się cyfrowym modułem detekcyjnym DOM (z ang. Digital Optical Module). Za każdym razem 18 modułów detekcyjnych jest montowanych na dwóch linach. Jeden ich koniec jest zakotwiczony na dnie morza, a drugi utrzymywany w pionie za pomocą boi pływającej na wodzie. Te wyposażone w moduły cyfrowe linie są nazywane strunami detekcyjnymi. Docelowo każda pełna część teleskopu będzie zbudowana ze 115 strun detekcyjnych. Detektor ARCA będzie wyposażony w dwie takie części, a detektor ORCA w jedną. W tym momencie każdy z teleskopów jest gotowy w około 10% i umożliwia zbieranie danych. Już ta część pozwoliła na zarejestrowanie neutrina o wyjątkowo olbrzymiej energii. Z każdym etapem rozbudowy detektorów, zwiększa się szansa na wykrywanie tego typu rzadkich neutrin – tłumaczy naukowiec z AGH.
