Co początkowo wyglądało na błąd pomiarowy, okazało się najpotężniejszą cząstką elementarną, jaką kiedykolwiek zaobserwowano. Neutrino o niewyobrażalnej energii zaskoczyło nawet najbardziej doświadczonych badaczy, otwierając nowy rozdział w astrofizyce.
Przełomowe wykrycie neutrina KM3-230213A
Detektor KM3NeT wychwycił cząstkę o energii 220 petaelektronowoltów. To wartość trudna do ogarnięcia, zwłaszcza gdy uświadomimy sobie, że poprzedni rekord wynosił zaledwie 10 petaelektronowoltów. Nowoodkryte neutrino było więc aż 22 razy potężniejsze od dotychczasowego lidera. Dla porównania, jego energia przekraczała miliard razy sto milionów energii fotonów światła widzialnego.
Czytaj także: 119 dni eksperymentu zmieniły fizykę jądrową. Naukowcy dokonali niemożliwego
Zdarzenie oznaczone jako KM3-230213A długo budziło wątpliwości. Analiza wzorców światła wykazała jednak wyraźne podobieństwo do oczekiwań związanych z relatywistyczną cząstką przemieszczającą się przez detektor. Najprawdopodobniej zaobserwowano mion powstały w wyniku interakcji astrofizycznego neutrina.
Zagadkowe cząstki
Neutrina to jedne z najbardziej ulotnych cząstek we Wszechświecie. Nie mają ładunku elektrycznego, ich masa jest znikoma, a interakcje z innymi cząstkami należą do rzadkości. Przez każdy centymetr kwadratowy naszego ciała przewija się w każdej sekundzie około 100 miliardów tych cząstek – przemierzają nas bez śladu jak niewidzialni goście.
Ich wykrycie możliwe jest wyłącznie przy niezwykle rzadkich zderzeniach z innymi cząstkami. Takie kolizje generują kaskady cząstek wtórnych, takich jak miony czy fotony, emitujące ledwo dostrzegalną poświatę. To właśnie te subtelne błyski rejestrują specjalistyczne detektory.
Podwodne laboratorium na głębokości 3450 metrów
Detektor KM3NeT to sieć czułych instrumentów zanurzonych 3450 metrów pod powierzchnią morza, w strefie całkowitej ciemności. W takich warunkach nawet najsłabsze błyski neutrinowych interakcji świecą jak latarnie.
Konstrukcja detektora ARCA niedaleko Sycylii powstała specjalnie do badania wysokoenergetycznych neutrin. Wyposażona w fotopowielacze o nanosekundowej precyzji czasowej, pozwala na niezwykle dokładne odtworzenie trajektorii i energii rejestrowanych cząstek.
Długa droga do potwierdzenia
Przez prawie dwa lata zespół naukowy weryfikował każdy aspekt detekcji KM3-230213A. Najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie zakłada, że zaobserwowany mion powstał w wyniku interakcji astrofizycznego neutrina w pobliżu detektora. Niemal pozioma trajektoria cząstki wskazuje na kosmiczne pochodzenie – miony atmosferyczne nie pokonałyby takiej odległości przez wodę morską bez pochłonięcia.
Dokładna analiza wykluczyła usterki techniczne czy błędy pomiarowe. Wszystkie parametry sygnału zgadzają się z modelami teoretycznymi dla ultra-wysokoenergetycznego neutrina pochodzenia kosmicznego.
Nierozwiązana zagadka pochodzenia.
Mimo intensywnych poszukiwań, naukowcy uważają za mało prawdopodobne, by źródłem neutrina była nasza galaktyka Droga Mleczna. Badania potencjalnych galaktycznych akceleratorów cząstek w kierunku nadejścia neutrina nie wykazały obecności wystarczająco potężnych obiektów.
Najbardziej prawdopodobnymi kandydatami wydają się źródła pozagalaktyczne. Mowa o ekstremalnych środowiskach w centrach odległych galaktyk, błyskach gamma z eksplodujących gwiazd czy supermasywnych czarnych dziurach działających jak naturalne akceleratory. Takie obiekty mogą nadawać cząstkom energie nieosiągalne w ziemskich laboratoriach.
Neutrina kosmogeniczne jako możliwy trop
Nowy składnik w widmie neutrin może pochodzić od neutrin kosmogenicznych, powstających gdy promienie kosmiczne oddziałują z mikrofalowym promieniowaniem tła – najstarszym światłem Wszechświata, wyemitowanym około 13,8 miliarda lat temu.
Istnieje też możliwość, że odkrycie wskazuje na nieznaną dotąd populację astrofizycznych źródeł emitujących neutrina o ultra-wysokiej energii. Ich identyfikacja mogłaby rzucić światło na najbardziej energetyczne procesy w kosmosie.
Spójność z innymi obserwacjami
Fakt, że podobnego zdarzenia nie zarejestrowały inne obserwatoria jak IceCube czy Pierre Auger (działające od ponad dekady), początkowo budził pewne wątpliwości. Obliczenia pokazały jednak, że prawdopodobieństwo pierwszego wykrycia przez KM3NeT wynosi około 1 do 100. To wystarczające, by uznać zgodność pomiędzy różnymi detektorami.
Czytaj także: Takiego neutrina nie widzieliśmy jeszcze nigdy. Rekordowa energia
Analizy statystyczne wskazują, że rozbieżności między obserwacjami różnych zespołów mieszczą się w granicach typowych fluktuacji. Nie ma więc zasadniczej sprzeczności w wynikach.
Wykrycie KM3-230213A otwiera nowe możliwości w astronomii neutrinowej ultra-wysokich energii. To pierwszy krok ku lepszemu zrozumieniu najbardziej ekstremalnych obiektów w kosmosie. Połączenie danych z różnych teleskopów może wreszcie pomóc rozwikłać tajemnicę kosmicznych akceleratorów – jedną z największych zagadek współczesnej astrofizyki.