Детектор KM3NeT зафіксував найпотужніший космічний нейтрино в історії

13 лютого 2023 року науковий світ став свідком безпрецедентної події у фізиці елементарних частинок. Детектор KM3NeT, розташований на глибині трьох кілометрів під поверхнею Середземного моря, зафіксував надзвичайно потужну космічну частинку — нейтрино з енергією 220 пета-електронвольт (PeV).

Подія виявилася настільки значущою, що викликала спрацювання третини всіх сенсорів установки. Паскаль Койл, фізик із Центру фізики частинок у Марселі, зізнався, що коли вперше спробував проаналізувати дані про цю подію, його комп'ютерна програма не впоралася з обробкою інформації. Енергія зафіксованого нейтрино у 16 000 разів перевищує можливості найпотужнішого прискорювача частинок — Великого адронного колайдера.

Нейтрино належать до найзагадковіших частинок у природі. Вперше передбачені Вольфгангом Паулі у 1930 році та виявлені у 1956 році, ці частинки не мають електричного заряду та майже не мають маси. Вони надзвичайно слабко взаємодіють з матерією. За словами Рози Коніліоне, заступниці речника KM3NeT на момент відкриття, «нейтрино є особливими космічними посланцями, які розкривають таємниці найенергетичніших явищ у Всесвіті».

KM3NeT представляє собою один з найсміливіших експериментів у галузі фізики частинок. Детектор складається з масиву сферичних датчиків, розташованих подібно до намистин на вертикальних лініях, закріплених на морському дні. Установка використовує прозорі води Середземного моря як середовище для виявлення частинок. Коли нейтрино стикається з атомом, воно може створити мюон — важчий родич електрона, який рухається у воді швидше за світло. Це породжує конус блакитного черенковського випромінювання, подібного до звукового удару, але створеного з фотонів, яке можуть зафіксувати детектори.

Попри те, що KM3NeT був завершений лише на десяту частину, йому вдалося зафіксувати нейтрино, яке отримало позначення KM³-230213A. Це відкриття особливо вражає дослідників, оскільки раніше нічого подібного не спостерігалося. Навіть IceCube, масивна нейтринна обсерваторія на Південному полюсі, раніше фіксувала космічні нейтрино з енергією лише до 6 PeV.

Походження цього надпотужного нейтрино залишається загадкою для науковців. Одна з гіпотез припускає, що частинка могла народитися в космічному прискорювачі, такому як блазар — галактика з надмасивною чорною дірою в центрі, яка випускає струмені частинок безпосередньо в напрямку Землі. Проте, коли дослідники KM3NeT обстежили ділянку неба, звідки прибуло нейтрино з енергією 220 PeV, вони не знайшли очевидного джерела.

Інша цікава гіпотеза полягає в тому, що виявлене нейтрино може бути космогенним — надрідкісною частинкою, що утворюється при зіткненні високоенергетичних космічних променів з космічним мікрохвильовим фоновим випромінюванням, залишковим світінням Великого вибуху. Якщо це підтвердиться, це стане першим прямим доказом існування космогенних нейтрино, які вчені передбачали протягом десятиліть.

Незалежно від походження нейтрино, його відкриття має величезне значення для науки. На відміну від заряджених космічних променів, нейтрино рухаються прямолінійно, не відхиляючись під впливом магнітних полів. Вони також проходять крізь газ, пил та світло без відхилення чи поглинання, що робить їх ідеальними носіями інформації про найвіддаленіші куточки Всесвіту.

Дослідження нейтрино може допомогти зрозуміти, як ростуть чорні діри та як вибухають зорі. Вони можуть навіть пояснити, чому Всесвіт складається з матерії, а не з антиматерії. Деякі фізики припускають, що нейтрино можуть бути ключем до відкриття фізики за межами Стандартної моделі — панівної теорії частинок та сил.

KM3NeT все ще перебуває на стадії будівництва. Після завершення, орієнтовно у 2029 році, детектор займатиме об'єм понад один кубічний кілометр морських глибин та матиме 230 ліній виявлення, кожна з яких буде оснащена оптичними модулями. Науковці також працюють над іншими проєктами, такими як Тихоокеанський нейтринний експеримент біля узбережжя Канади та модернізація обсерваторії IceCube.

Як зазначив Паскаль Койл, «Ця подія демонструє, що їхній детектор працює чудово. Маючи два детектори замість одного, можна досягти набагато більшого. Ми рухаємося до астрономії надвисокоенергетичних нейтрино». Результати дослідження були опубліковані в журналі Nature.