Neutrino o rekordowej energii zarejestrowano w Morzu Śródziemnym. Przybyło spoza naszej Galaktyki

Spis treści:

1. Czym są neutrina?
2. Jak działa teleskop neutrinowy?
3. Najbardziej energetyczne neutrino
4. Polski wkład w badania

Astrofizycy zaobserwowali najbardziej energetyczne neutrino w historii. Cząstka – prawdopodobnie pochodząca z odległej galaktyki – została wykryta przez teleskop KM3NeT. Odkrycia dokonano w 2023 roku, ale dopiero teraz w prestiżowym czasopiśmie „Nature” pojawiła się szczegółowa praca na ten temat. Neutrino miało 10–20 razy większą energię od jakiegokolwiek wcześniej wykrytego.

Czym są neutrina?

Nauka od dawna interesuje się neutrinami, których miliony przenikają nasze ciała w każdej sekundzie. Te niewidoczne cząstki przechodzą przez ludzkie ciało na wylot z prędkością światła, podobnie jak przez całą planetę. Neutrina są niewyobrażalnie małe i ich masa jest bliska zeru. Poza tym nie mają żadnego ładunku elektrycznego. Nic nie może ich więc przyciągnąć i nic nie może ich odepchnąć.

Od momentu swojego powstania poruszają się tylko w jednym kierunku: na wprost. Dlatego są interesujące dla nauki. Neutrina powstają w sercach gwiazd. Od tego momentu podróżują w linii prostej przez Wszechświat, czasem nawet przez miliardy lat.

Jak działa teleskop neutrinowy?

Jak zbadać cząstkę, która jest tak mała, że nie da się jej zobaczyć? I która przelatuje przez Ziemię z prędkością światła? W latach 50. XX w. rosyjski fizyk Paweł Czerenkow odkrył, że istnieje substancja, która może zablokować drogę neutrin. Jest to zwykła woda. Jedno na 10 tys. z nich wpada bezpośrednio na cząsteczkę H₂0, wskutek czego powstaje inna cząstka – mion, poruszający się w tym samym kierunku, co wcześniej neutrino. Gdy ów mion przecina wodę, wysyła światło – słaby, niebieski błysk. Im więcej będzie wody, tym więcej powinno nastąpić zderzeń pomiędzy neutrinami a jej cząsteczkami – a więc więcej niebieskich błysków.

Dlatego europejski zespół naukowców buduje KM3NeT, czyli Cubic Kilometre Neutrino Telescope – podwodny teleskop neutrinowy. KM3 oznacza objętość teleskopu – około kilometra sześciennego wody. Jako lokalizację wybrano Morze Śródziemne. Woda jest tam przejrzysta, dzięki czemu błyski mionów będą dobrze widoczne. Wystarczy odpłynąć kilka kilometrów od brzegu, by trafić na duże głębokości. Światło słoneczne dociera tylko na kilkaset metrów pod powierzchnię.

Najbardziej energetyczne neutrino

Neutrino o energii szacowanej na około 220 PeV (220 milionów miliardów elektronowoltów) zostało zarejestrowane 13 lutego 2023 r. Dokonał tego detektor ARCA teleskopu KM3NeT na głębokości 3500 metrów, u wybrzeży Sycylii. Detektor był wówczas ukończony w zaledwie 10%. 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. Tego rodzaju odkrycia otwierają nowe obszary badań w astronomii neutrinowej i dają nadzieję nowej perspektywy obserwacji Wszechświata.

Neutrina powstają w reakcjach jądrowych, takich jak te w centrum Słońca. Wówczas mają energie rzędu milionów elektronowoltów (eV). Jednak od ponad 10 lat naukowcy rejestrują neutrina niosące niespotykane dotąd energie, sięgające nawet kilku biliardów elektronowoltów (10¹⁵ eV lub 1 petaelektronowolta), które prawdopodobnie pochodzą z odległych galaktyk. Ten zakres energii jest tysiące razy większy niż najbardziej energetyczne cząstki produkowane w akceleratorach na Ziemi, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów w CERN.

Najbardziej energetyczne neutrina powstają podczas katastrofalnych wydarzeń, takich jak zderzenia supermasywnych czarnych dziur czy eksplozje masywnych gwiazd, tzw. supernowe. Wówczas pojawiają się 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 tzw. mikrofalowego promieniowania tła. Prowadzi to do powstania „kosmogenicznych” neutrin o wyjątkowo olbrzymich energiach.

– Neutrina mówią nam o tym, jaki jest nasz Wszechświat. Ale poszukiwanie neutrin może też pomóc w udoskonalaniu, np. systemów ostrzegania przed trzęsieniami ziemi – mówi prof. Agnieszka Obłękowska-Mucha z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH.

Polski wkład w badania

Zespół naukowców z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie dołączył do eksperymentu KM3NeT z końcem 2024 roku. Polscy uczeni podjęli się opracowania innowacyjnej metody rekonstrukcji neutrin przy użyciu sygnałów akustycznych.

– Jeśli lecące niemal z szybkością światła neutrino oddziała z materią, np. wodą, lodem, to powstaną inne naładowane cząstki, które lecą dalej w tym samym kierunku i pomału wytracają swą energię. Ta energia podgrzewa medium, ale tylko w jej bliskiej okolicy. Powoduje to, że medium zaczyna pulsować, to znaczy wysyła sygnał dźwiękowy. Jeżeli uda nam się zarejestrować te sygnały dźwiękowe to możemy ich użyć do rekonstrukcji neutrina i wyznaczyć jego własności kinematyczne. Zespół z AGH opracowuje symulacje takich procesów, uwzględniając możliwe efekty tła. Przepływające statki generują różne sygnały dźwiękowe. Przepływające delfiny też wydają różne dźwięki. Mając takie symulacje, będziemy mogli zacząć opracowywać metodę oddzielenia słabych sygnałów neutrin od gwizdów, kliknięć i innych dźwięków. W tym celu używamy zaawansowanych technik sztucznej inteligencji. W ten sposób szukamy najbardziej efektywnej metody detekcji neutrin przez ich sygnały akustyczne – wyjaśnia prof. Artur Ukleja z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH, kierujący pracami zespołu.

Źródła: Nature, AGH