Подводный телескоп обнаружил самую энергичную частицу-призрак в истории

Подводный телескоп KM3NeT обнаружил нейтрино рекордной энергии — 220 ПэВ, что ознаменовало поворотный момент в астрофизике. Эта крошечная, но мощная частица, рожденная в результате самых экстремальных событий во Вселенной, дает новые подсказки о космических ускорителях. Хотя ее точное происхождение остается неизвестным, ученые полагают, что это может быть первое обнаруженное космогенное нейтрино.

Международная команда, управляющая мощным подводным телескопом в Средиземном море, объявила об открытии нейтрино с самой высокой энергией, когда-либо обнаруженной в ходе такого эксперимента. Их выводы, опубликованные в журнале Nature, представляют собой первое доказательство того, что нейтрино с такой экстремальной энергией существуют во Вселенной. Однако их точное происхождение остается загадкой. Ученые из Университета Гранады входят в число тех, кто вносит свой вклад в проект KM3NeT.

13 февраля 2023 года детектор ARCA — один из глубоководных инструментов KM3NeT — зарегистрировал необычное событие, связанное с нейтрино с предполагаемой энергией приблизительно 220 ПэВ (220 тыс. триллионов электрон-вольт). Это намного более энергично, чем частицы, произведенные на Большом адронном коллайдере (БАК) ЦЕРНа.

Событие, названное KM3-230213A, знаменует собой самое энергичное нейтрино, когда-либо наблюдавшееся, подтверждая, что такие высокоэнергетические нейтрино действительно производятся где-то в космосе. После обширного процесса анализа и проверки данных команда KM3NeT теперь подробно описала свое открытие.

Нейтрино — это почти невидимые субатомные частицы, которые путешествуют в пространстве почти со скоростью света, легко проходя сквозь звезды, планеты и даже наши собственные тела без следа. Известные как «частицы-призраки», они редко взаимодействуют с материей, что делает их невероятно трудными для обнаружения.

Несмотря на свою неуловимую природу, нейтрино являются ключом к пониманию некоторых из самых экстремальных событий во Вселенной, от взрыва сверхновых до загадочных процессов внутри черных дыр. Ученые используют массивные подземные или подводные детекторы, чтобы поймать эти мимолетные частицы, помогая раскрыть секреты космоса.

Исследователи идентифицировали событие как мюон — элементарную частицу, связанную с электроном, — пролетающий через детектор. Крутая траектория мюона и огромная энергия указывают на то, что он произошел от высокоэнергетического космического нейтрино, взаимодействующего вблизи детектора.

«KM3NeT начал исследовать диапазон энергий и чувствительности, в котором обнаруженные нейтрино могут быть получены в экстремальных астрофизических явлениях. Это первое обнаружение нейтрино с энергией в сотни ПэВ открывает новую главу в нейтринной астрономии и новое окно для наблюдения за Вселенной», — сказал Паскаль Койл, представитель KM3NeT на момент обнаружения и исследователь в Центре физики частиц IN2P3/CNRS в Марселе (Франция).

Высокоэнергетическая вселенная — это область колоссальных событий, таких как сверхмассивные черные дыры, взрывы сверхновых и гамма-всплески, события, которые до сих пор не полностью поняты. Эти мощные космические ускорители генерируют потоки частиц, называемых космическими лучами, которые могут взаимодействовать с окружающей материей, производя нейтрино и фотоны.

Во время своего путешествия по вселенной самые энергичные космические лучи могут взаимодействовать с фотонами микроволнового фонового излучения, первого света после возникновения космоса, чтобы производить чрезвычайно энергичные нейтрино, называемые космогенными.

«Нейтрино — одна из самых загадочных элементарных частиц. Они не имеют электрического заряда, почти не имеют массы и слабо взаимодействуют с материей. Они — особые космические посланники, предоставляющие нам уникальную информацию о механизмах, задействованных в самых энергетических явлениях, и позволяющие нам исследовать самые дальние уголки Вселенной», — объясняет Роза Конильоне, заместитель пресс-секретаря KM3NeT на момент обнаружения и научный сотрудник Национального института ядерной физики (INFN) в Италии.

Хотя они являются вторыми по распространенности частицами во Вселенной после фотонов, составляющих свет, их чрезвычайно слабое взаимодействие с материей делает их очень сложными для обнаружения и требует огромных детекторов. Нейтринный телескоп KM3NeT, который в настоящее время находится в стадии строительства, представляет собой гигантскую инфраструктуру на морском дне, состоящую из двух детекторов, ARCA и ORCA.

KM3NeT использует морскую воду в качестве среды взаимодействия для обнаружения нейтрино. Его высокотехнологичные оптические модули обнаруживают черенковский свет, голубоватое свечение, создаваемое распространением в воде ультрарелятивистских частиц в результате взаимодействия с нейтрино.

Это сверхвысокоэнергетическое нейтрино может возникнуть непосредственно из мощного космического ускорителя. С другой стороны, это может быть первое обнаружение космогенного нейтрино. Однако, на основе этого единственного нейтрино трудно сделать выводы о его происхождении, говорят ученые коллаборации.

Будущие наблюдения будут сосредоточены на обнаружении большего количества событий этого типа, чтобы построить более ясную картину. Продолжающееся расширение KM3NeT с помощью дополнительных единиц обнаружения и получение новых данных улучшит его чувствительность и увеличит его способность определять источники космических нейтрино, делая KM3NeT крупным игроком в многоканальной астрономии.

Сотрудничество KM3NeT объединяет более 360 ученых, инженеров, техников и студентов из 68 учреждений в 22 странах мира. От имени Университета Гранады исследователи с кафедр теоретической и космической физики и вычислительной техники, автоматизации и робототехники принимают участие в сотрудничестве KM3NeT в течение десятилетия.

«Группа из Университета Гранады, которая является частью KM3NeT, вносит вклад в эксперимент в двух основных аспектах. С одной стороны, на основе анализа данных, собранных детектором, мы работаем над различными физическими анализами, направленными на поиск источников нейтрино во Вселенной, обнаружение темной материи или изучение новых физических эффектов посредством измерения свойств нейтрино», — объясняет Серхио Навас, один из главных исследователей KM3NeT в Университете Гранады.

По словам Антонио Диас Гарсия, соруководитель проекта в Университете Гранады, исследователи участвуют в создании элементов телескопа, ориентированных на оптимальное измерение времени прибытия сигналов на оптические датчики, что является ключевым аспектом в реконструкции направления прибытия нейтрино.

«У нас есть инфраструктура в лаборатории, которая позволяет нам разрабатывать и применять протоколы, которые гарантируют, что компоненты, которые мы создаем и устанавливаем в эксперименте, соответствуют требуемым требованиям точности (временная точность менее миллиардной доли секунды)», — добавляет он.

Серхио Навас заявляет, что обнаружение события KM3-230213A стало огромным стимулом для тех, кто работает над экспериментом. «Оно действует как магнит для новых исследовательских центров, присоединяющихся к проекту. В UGR мы продолжаем работать над раскрытием природы этого уникального события, о котором еще так много неизвестного предстоит расшифровать», — заключает он.

Исследовательская группа уверена, что с полной установкой двух детекторов KM3NeT, ARCA и ORCA, можно будет пролить новый свет на тайну происхождения космических нейтрино.