Ένα εξαιρετικό γεγονός που αντιστοιχεί σε ένα νετρίνο με εκτιμώμενη ενέργεια περίπου 220 PeV (220 x 1015 ηλεκτρονιοβόλτ ή 220 εκατομμύρια δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ), ανιχνεύθηκε στις 13 Φεβρουαρίου 2023 από τον ανιχνευτή ARCA του τηλεσκοπίου νετρίνων χιλιομετρικού κυβισμού (KM3NeT) στη βαθιά θάλασσα.
Το γεγονός αυτό, που ονομάστηκε KM3-230213A, είναι το πιο ενεργητικό νετρίνο που έχει παρατηρηθεί ποτέ και παρέχει την πρώτη απόδειξη ότι νετρίνα τόσο υψηλών ενεργειών παράγονται στο Σύμπαν. Μετά από μακρά και σχολαστική εργασία για την ανάλυση και ερμηνεία των πειραματικών δεδομένων, στις 12 Φεβρουαρίου 2025, η διεθνής επιστημονική συνεργασία του KM3NeT αναφέρει τις λεπτομέρειες αυτής της εκπληκτικής ανακάλυψης σε άρθρο που δημοσιεύεται στο Nature.
Το γεγονός που ανιχνεύθηκε ταυτοποιήθηκε ως ένα μοναδικό μιόνιο που διέσχισε ολόκληρο τον ανιχνευτή, προκαλώντας σήματα σε περισσότερο από το ένα τρίτο των ενεργών αισθητήρων. Η κλίση της τροχιάς του σε συνδυασμό με την τεράστια ενέργειά του παρέχει αδιάσειστα στοιχεία ότι το μιόνιο προήλθε από ένα κοσμικό νετρίνο που αλληλεπιδρά κοντά στον ανιχνευτή.
«Το KM3NeT έχει αρχίσει να διερευνά ένα εύρος ενέργειας και ευαισθησίας όπου τα ανιχνευόμενα νετρίνα μπορεί να προέρχονται από ακραία αστροφυσικά φαινόμενα. Αυτή η πρώτη ανίχνευση ενός νετρίνου με ενέργεια εκατοντάδων PeV ανοίγει ένα νέο κεφάλαιο στην αστρονομία των νετρίνων και ένα νέο παράθυρο παρατήρησης του Σύμπαντος», σχολιάζει ο Paschal Coyle, εκπρόσωπος του KM3NeT την εποχή της ανίχνευσης και ερευνητής στο Εθνικό Κέντρο Επιστημονικής Έρευνας CNRS -- Centre de Physique des Particules de Marseille, Γαλλία.
Το Σύμπαν υψηλών ενεργειών είναι το βασίλειο κατακλυσμικών γεγονότων, όπως οι συσσωρευόμενες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο κέντρο των γαλαξιών, οι εκρήξεις σουπερνόβα, οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα, τα οποία δεν έχουν ακόμη κατανοηθεί πλήρως. Αυτοί οι ισχυροί κοσμικοί επιταχυντές, δημιουργούν ρεύματα σωματιδίων που ονομάζονται κοσμικές ακτίνες. Ορισμένες κοσμικές ακτίνες μπορεί να αλληλεπιδράσουν με ύλη ή φωτόνια γύρω από την πηγή, για να παράγουν νετρίνα και φωτόνια. Κατά τη διάρκεια του ταξιδιού των πιο ενεργητικών κοσμικών ακτίνων σε όλο το Σύμπαν, μερικές από αυτές μπορεί επίσης να αλληλεπιδράσουν με φωτόνια της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, για να παράγουν εξαιρετικά ενεργητικά «κοσμογόνα» νετρίνα.
«Τα νετρίνα είναι ένα από τα πιο μυστηριώδη στοιχειώδη σωματίδια. Δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, σχεδόν καθόλου μάζα και αλληλεπιδρούν μόνο ασθενώς με την ύλη. Είναι ειδικοί κοσμικοί αγγελιοφόροι, που μας φέρνουν μοναδικές πληροφορίες για τους μηχανισμούς που εμπλέκονται στα πιο ενεργητικά φαινόμενα και μας επιτρέπουν να εξερευνήσουμε τις πιο μακρινές αποστάσεις του Σύμπαντος», εξηγεί η Rosa Coniglione, αναπληρώτρια εκπρόσωπος του KM3NeT κατά τη στιγμή της ανίχνευσης, ερευνήτρια στο Εθνικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής INFN της Ιταλίας.
Αν και τα νετρίνα είναι το δεύτερο πιο άφθονο σωματίδιο στο Σύμπαν μετά τα φωτόνια, η ασθενής αλληλεπίδρασή τους με την ύλη τα καθιστά πολύ δύσκολα ανιχνεύσιμα και απαιτούν τεράστιους ανιχνευτές. Το τηλεσκόπιο νετρίνων KM3NeT, το οποίο βρίσκεται υπό κατασκευή, είναι μια γιγαντιαία υποδομή βαθιάς θάλασσας που κατανέμεται στους δύο ανιχνευτές ARCA και ORCA. Στην τελική του διαμόρφωση, το KM3NeT θα καταλαμβάνει όγκο μεγαλύτερο από ένα κυβικό χιλιόμετρο. Το KM3NeT χρησιμοποιεί το θαλασσινό νερό ως μέσο αλληλεπίδρασης των νετρίνων. Οι υψηλής τεχνολογίας οπτικές μονάδες του ανιχνεύουν την ακτινοβολία Cherenkov, μια γαλαζωπή λάμψη που παράγεται κατά τη διάδοση μέσα στο νερό των υπερσχετικιστικών σωματιδίων που παράγονται στις αλληλεπιδράσεις νετρίνων.
«Για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης και της ενέργειας αυτού του νετρίνο απαιτήθηκε ακριβής βαθμονόμηση του τηλεσκοπίου και εξελιγμένοι αλγόριθμοι ανακατασκευής της τροχιάς. Επιπλέον, αυτή η αξιοσημείωτη ανίχνευση επιτεύχθηκε με το ένα δέκατο μόνο της τελικής διαμόρφωσης του ανιχνευτή, αποδεικνύοντας τις μεγάλες δυνατότητες του πειράματός μας για τη μελέτη των νετρίνων και για την αστρονομία τους», σχολιάζει ο Aart Heijboer, υπεύθυνος φυσικής και λογισμικού του KM3NeT κατά τη στιγμή της ανίχνευσης και ερευνητής στο Εθνικό Ινστιτούτο Υποατομικής Φυσικής Nikhef, στην Ολλανδία.
Ο ανιχνευτής KM3NeT/ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) είναι αφιερωμένος κυρίως στη μελέτη των νετρίνων υψηλότερης ενέργειας και των πηγών τους στο Σύμπαν. Βρίσκεται σε βάθος 3450 m, περίπου 80 km από την ακτή Portopalo di Capo Passero της Σικελίας. Οι μονάδες ανίχνευσης (DUs) ύψους 700 μέτρων είναι αγκυροβολημένες στον πυθμένα της θάλασσας και τοποθετημένες σε απόσταση περίπου 100 μέτρων μεταξύ τους. Κάθε DU είναι εξοπλισμένο με 18 ψηφιακές οπτικές μονάδες (DOM) που η καθεμία περιέχει 31 φωτοπολλαπλασιαστές (PMT). Στην τελική του διαμόρφωση, το ARCA θα περιλαμβάνει 230 DUs. Τα δεδομένα που συλλέγονται μεταδίδονται μέσω υποθαλάσσιου καλωδίου στον σταθμό ξηράς στο INFN Laboratori Nazionali del Sud.
Ο ανιχνευτής KM3NeT/ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) είναι βελτιστοποιημένος για τη μελέτη των θεμελιωδών ιδιοτήτων του ίδιου του νετρίνου. Βρίσκεται σε βάθος 2450 μέτρων, περίπου 40 χλμ. από την ακτή της Τουλόν στη Γαλλία. Θα αποτελείται από 115 DUs, το καθένα ύψους 200 m και σε απόσταση 20 m. Τα δεδομένα που συλλέγονται από τον ORCA αποστέλλονται στον σταθμό ξηράς στο La Seyne Sur Mer.
«Η κλίμακα του KM3NeT, που τελικά περιλαμβάνει όγκο περίπου ενός κυβικού χιλιομέτρου με συνολικά περίπου 200.000 φωτοπολλαπλασιαστές, σε συνδυασμό με την ακραία τοποθεσία του στην άβυσσο της Μεσογείου, καταδεικνύει τις εξαιρετικές προσπάθειες που απαιτούνται για την πρόοδο της αστρονομίας νετρίνων και της σωματιδιακής φυσικής. Η ανίχνευση αυτού του συμβάντος είναι το αποτέλεσμα μιας τεράστιας συλλογικής προσπάθειας μεταξύ πολλών διεθνών ομάδων μηχανικών, τεχνικών και επιστημόνων», σχολιάζει ο Miles Lindsey Clark, τεχνικός διευθυντής του έργου KM3NeT κατά τη στιγμή της ανίχνευσης, και ερευνητής μηχανικός στο εργαστήριο CNRS -- Astroparticle and Cosmology της Γαλλίας.
Αυτό το υπερ-υψηλής ενέργειας νετρίνο μπορεί να προέρχεται απευθείας από έναν ισχυρό κοσμικό επιταχυντή. Εναλλακτικά, θα μπορούσε να είναι η πρώτη ανίχνευση ενός κοσμογονικού νετρίνο. Ωστόσο, με βάση αυτό το μοναδικό νετρίνο είναι δύσκολο να εξαχθεί συμπέρασμα για την προέλευσή του. Οι μελλοντικές παρατηρήσεις θα επικεντρωθούν στην ανίχνευση περισσότερων τέτοιων γεγονότων για να διαμορφωθεί μια σαφέστερη εικόνα. Η συνεχιζόμενη επέκταση του KM3NeT με πρόσθετες μονάδες ανίχνευσης και η απόκτηση πρόσθετων δεδομένων θα βελτιώσει την ευαισθησία του και θα ενισχύσει την ικανότητά του να εντοπίζει τις πηγές κοσμικών νετρίνων, καθιστώντας το κορυφαίο παράγοντα στην αστρονομία πολλαπλών μηνυμάτων.
Η σύμπραξη KM3NeT συγκεντρώνει περισσότερους από 360 επιστήμονες, μηχανικούς, τεχνικούς και φοιτητές 68 ιδρυμάτων από 21 χώρες σε όλο τον κόσμο.
Το KM3NeT περιλαμβάνεται στον οδικό χάρτη του Ευρωπαϊκού Φόρουμ Στρατηγικής για τις Ερευνητικές Υποδομές, το οποίο αναγνωρίζει το KM3NeT ως ερευνητική υποδομή προτεραιότητας για την Ευρώπη. Εκτός από τη χρηματοδότηση που παρέχεται από ερευνητικούς οργανισμούς σε διάφορες χώρες, το KM3NeT έχει επωφεληθεί από διάφορες χρηματοδοτήσεις μέσω των ευρωπαϊκών προγραμμάτων έρευνας και καινοτομίας καθώς και του Ευρωπαϊκού Ταμείου Περιφερειακής Ανάπτυξης.
[via]
