„Kosmiczny Posłaniec”: Tajemnicze „Neutrina o Bardzo Wysokiej Energii” Wykryte Poza Naszą Galaktyką

Odległa galaktyka. CNRS mówi o „trzęsieniu ziemi” i „nowym oknie na Wszechświat”. Neutrino (cząstka powszechnie występująca we Wszechświecie, przyp. red.) o energii trzydziestokrotnie wyższej od energii jakiegokolwiek neutrina kiedykolwiek zarejestrowanego na Ziemi zostało wykryte na dnie Morza Śródziemnego – dowiadujemy się z badania opublikowanego w środę, 12 lutego w czasopiśmie Nature .

Jest to najbardziej energetyczna cząstka elementarna. Powinno to przyczynić się do znacznego postępu w zrozumieniu ekstremalnych zjawisk zachodzących we Wszechświecie.

Jak pisze CNRS w komunikacie prasowym, odkrycie to „wstrząsa obecnymi modelami astrofizycznymi”.

Chociaż pochodzenie tej niezwykłej cząstki nie zostało jeszcze ustalone, naukowcy są pewni, że nie pochodzi ona z naszej galaktyki.

Neutrino to elementarna cząstka powszechnie występująca we Wszechświecie, lecz trudna do uchwycenia. Jak wskazuje jego nazwa, nie ma ładunku elektrycznego i prawie żadnej masy: ta ostatnia jest milion razy słabsza od masy elektronu. Jest to również najlżejsza znana masywna cząstka. Co więcej, oddziałuje z materią tylko słabo.

Neutrina są szczególnie interesujące dla naukowców, ponieważ są „specjalnymi kosmicznymi posłańcami” – wyjaśnia Rosa Coniglione, badaczka z Włoskiego Instytutu Fizyki Jądrowej, w komunikacie prasowym towarzyszącym publikacji badania.

Najgwałtowniejsze zdarzenia we Wszechświecie – takie jak wybuch supernowej, połączenie się dwóch gwiazd neutronowych czy aktywność wokół supermasywnych czarnych dziur – generują tak zwane neutrina „o ultrawysokiej energii”.

Ponieważ cząstki te w niewielkim stopniu oddziałują z materią, mogą uciec z gęstych, burzliwych obszarów, w których powstały, i przemieszczać się po linii prostej przez Wszechświat. Tym samym dostarczają cennych informacji, niedostępnych przy użyciu bardziej klasycznych metod, na temat źródeł zjawisk astrofizycznych.

„Dla przykładu, gdybyśmy chcieli zatrzymać połowę neutrin zmierzających w naszym kierunku, musielibyśmy zbudować ołowianą ścianę o grubości dziewięciu tysięcy miliardów kilometrów” – wyjaśnia Sonia El Hedri, astrofizyk z CNRS, w filmie .

Jednakże te „duchy” są niezwykle trudne do wykrycia. Jak podaje CNRS, przez każdy centymetr kwadratowy Ziemi na sekundę przechodzi 60 miliardów neutrin, nie pozostawiając najmniejszego śladu.

Aby móc złapać kilka z nich w locie, potrzebna jest ogromna ilość wody – co najmniej jeden kilometr sześcienny, co odpowiada objętości 400 000 basenów olimpijskich. Dlatego właśnie na Morzu Śródziemnym znajduje się Teleskop Neutrino Kilometra Sześciennego (KM3NeT).

Projekt, który jest nadal w budowie, jest rozłożony na dwóch obszarach: ARCA, poświęconym astronomii wysokich energii, na głębokości 3450 metrów u wybrzeży Sycylii (Włochy) oraz ORCA, zoptymalizowanym pod kątem badania podstawowych właściwości neutrin, na głębokości 2450 metrów u wybrzeży Tulonu (Francja).

Kable o długości kilkuset metrów, wyposażone w fotopowielacze zdolne wzmocnić bardzo małe ilości światła, są zakotwiczone w regularnych odległościach do dna morskiego.

„Interesujące w wodzie jest to, że gdy neutrino oddziałuje ogólnie w materii, wytwarza elektrycznie naładowane cząstki. A jeśli te cząstki poruszają się wystarczająco szybko w medium, mogą powodować emisję światła” – wyjaśnia Sonia El Hedri. Zjawisko to nazywa się efektem Czerenkowa.

„Woda, ze względu na swoją przejrzystość, jest szczególnie preferowanym medium do wykrywania tego efektu” – kontynuuje astrofizyk.

Jak podaje KM3NeT, współpraca skupiająca 350 naukowców z 21 krajów, 13 lutego 2023 r. mion, ciężki elektron wytwarzany przez neutrino, „przeszedł przez cały detektor ARCA, indukując sygnały w ponad jednej trzeciej aktywnych czujników”.

Neutrino w momencie powstania miało energię wynoszącą 220 petaelektronowoltów (PeV), czyli 200 milionów miliardów elektronowoltów. Kolosalna postać, nigdy wcześniej nie widziana na Ziemi.

„To mniej więcej energia piłeczki pingpongowej spadającej z wysokości jednego metra”, ale zawarta „w pojedynczej cząstce elementarnej” – wyjaśnił Aart Heijboer, profesor Holenderskiego Instytutu Fizyki Subatomowej (Nikhef) i członek KM3NeT podczas konferencji prasowej.

Z tą różnicą, że piłeczka pingpongowa składa się z bilionów cząsteczek, podczas gdy to pojedyncza cząstka elementarna niesie ze sobą taką samą ilość energii.

Jak dodał Paschal Coyle, dyrektor ds. badań CNRS w Centrum Fizyki Cząstek w Marsylii, wytworzenie takiej cząstki wymagałoby akceleratora „rozmieszczonego dookoła Ziemi w odległości równej odległości satelitów geostacjonarnych”.

„Czarna dziura czająca się w sercu galaktyki? Rozbłysk gamma? Supernowa?”, jej pochodzenie jest kwestionowane przez CNRS w tę środę.

Przy takim poziomie energii pochodzenie neutrin może być tylko kosmiczne. Damien Dornic, badacz z CPPM, podkreślił, że „odległość miejsca zdarzenia, które je wywołało, jest nieznana”, ale „jesteśmy niemal pewni, że nie pochodzi ono z naszej galaktyki”.

Astrofizycy zidentyfikowali dwanaście blazarów , ekstremalnych źródeł promieniowania, które nieustannie przyspieszają cząsteczki zasilane przez masywne, potencjalnie kompatybilne czarne dziury.

Jak wyjaśnia Rosa Coniglione, może to być również pierwsze wykrycie neutrina „kosmogenicznego”, powstałego w wyniku „interakcji ultraenergetycznych promieni kosmicznych z fotonami z międzygalaktycznego tła kosmicznego”.

Co mogłoby pomóc zrozumieć „skład tych promieni kosmicznych” i „ewolucję Wszechświata”.

„W momencie, gdy doszło do tego zdarzenia, nasz system ostrzegania przed neutrinami był wciąż w fazie rozwoju” – zauważył Aart Heijboer. Pod koniec roku, gdy tylko zostanie dokonane nowe wykrycie, w ciągu kilku sekund zostanie wysłany alert „do wszystkich teleskopów na świecie, tak aby mogły skierować się w tym kierunku” nieba i poszukać źródła.