Międzynarodowy zespół z projektu KM3NeT poinformował na łamach Nature o wykryciu neutrina o wyjątkowo wysokiej energii 220 PeV. Odkrycie stanowi pierwszy dowód na istnienie neutrin o tak dużych energiach, co może mieć kluczowe znaczenie dla dalszych badań nad zjawiskami astrofizycznymi, takimi jak supernowe czy czarne dziury. Poza potwierdzeniem istnienia tak wysokoenergetycznych neutrin, badania te otwierają nowe możliwości w analizach procesów zachodzących w ekstremalnych warunkach kosmicznych.
Neutrina są cząstkami elementarnymi, które mimo swojej powszechności trudno wykryć, gdyż nie posiadają ładunku elektrycznego, mają prawie zerową masę i bardzo słabo oddziałują z materią. Dlatego naukowcy określają je mianem „kosmicznych posłańców” niosących informacje o najbardziej energetycznych procesach we Wszechświecie.
Detekcja tak subtelnych cząstek wymaga ogromnych instalacji. KM3NeT (Kilometre Cube Neutrino Telescope) wykorzystuje wodę morską jako medium detekcyjne i składa się z dwóch głównych jednostek: ARCA, dedykowanej badaniu neutrin o najwyższych energiach, oraz ORCA, skupionej na badaniu ich podstawowych właściwości. Umieszczone odpowiednio na głębokościach 3450 m (ARCA) i 2450 m (ORCA) w Morzu Śródziemnym, detektory wykorzystują moduły optyczne rejestrujące promieniowanie Czerenkowa – niebieską poświatę emitowaną przez naładowane cząstki poruszające się szybciej niż światło w wodzie. Każdy moduł zawiera 31 fotopowielaczy, a docelowo KM3NeT ma objętość około 1 km³ oraz wykorzystuje około 200 tys. detektorów.
a, Widok boczny i z góry zdarzenia. Zrekonstruowaną trajektorię mionu przedstawiono czerwoną linią, uzupełnioną artystyczną ilustracją stożka światła Czerenkowa. Sygnały z poszczególnych fotopowielaczy (PMT) zobrazowano jako kule ułożone zgodnie z ich orientacją – pokazano tylko pierwsze pięć sygnałów na każdym PMT. Jak wskazuje legenda, kolory kul odpowiadają czasowi detekcji względem pierwszego zarejestrowanego sygnału, a ich rozmiar jest proporcjonalny do liczby wykrytych fotonów. Położenie wtórnych kaskad, omówionych w materiałach uzupełniających, zaznaczono czarnymi kulami wzdłuż trajektorii mionu. Kierunek północny wskazuje czerwona strzałka. Dla porównania rozmiarów przedstawiono skalę 100 m oraz Wieżę Eiffla (330 m wysokości, 125 m szerokości podstawy).
b, Powiększony widok modułów optycznych znajdujących się w pobliżu dwóch pierwszych zaobserwowanych wtórnych kaskad zdarzenia. Jasnoniebieskie kule przedstawiają sygnały, które zarejestrowano w przedziale od −5 do 25 ns względem oczekiwanych czasów przybycia światła Czerenkowa. [1]
Wykryte neutrino zostało zidentyfikowane 13 lutego 2023 roku przez ARCA jako pojedynczy mion, który przeszedł przez cały detektor. Mion ten wzbudził sygnały w ponad jednej trzeciej aktywnych czujników. Analiza trajektorii mionu i jego ogromnej energii, szacowanej na 120 PeV, dała mocne dowody na to, że pochodzi on z kosmicznego neutrina, które oddziaływało w pobliżu detektora. Dalsze analizy pozwoliły oszacować energię zarejestrowanego neutrina na około 220 PeV. Wcześniejszymi rekordzistami były neutrina o energiach rzędu „zaledwie” kilku PeV. Odkrycie tak wysokoenergetycznego neutrina może być pierwszym wykryciem tzw. neutrina kosmogenicznego, które powstaje w wyniku interakcji promieni kosmicznych z fotonami tła we Wszechświecie. Obecnie na podstawie pojedynczego zdarzenia trudno jest jednak jednoznacznie stwierdzić, skąd dokładnie pochodzi. Potrzebne jest więcej obserwacji podobnych neutrin i dalsza rozbudowa detektora KM3NeT.
[1] Publikacja naukowa „Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT”: https://www.nature.com/articles/s41586-024-08543-1
