Obserwacja ultra-wysokiej energii neutrino kosmicznego przez KM3NeT

Nowe odkrycie: Neutrino o energii petaelektronowolta (PeV) zarejestrowane przez detektor KM3NeT

Detekcja neutrino kosmicznego o energiach powyżej teraelektronowolta (TeV) to przełomowy krok w badaniu zjawisk astrofizycznych. Neutrina są elektrycznie neutralnymi cząstkami, które oddziałują tylko za pomocą oddziaływań słabych, co oznacza, że nie są one odchylane przez pola magnetyczne ani pochłaniane przez materię międzygwiezdną. Dzięki temu ich kierunek może wskazywać na pochodzenie z najdalszych zakątków Wszechświata. Neutrina o wysokiej energii powstają, gdy ultra-relatywistyczne protony lub jądra kosmiczne oddziałują z inną materią lub fotonami, a ich obserwacja może stanowić sygnał tych procesów. W artykule przedstawiamy wyjątkowo wysokoenergetyczne zdarzenie zarejestrowane przez KM3NeT, głęboko-morską teleskopową sieć detektorów neutrino zlokalizowaną w Morzu Śródziemnym, które związane jest z detekcją neutrino kosmicznego.

Detekcja neutrino kosmicznego z energią petaelektronowolta

Na 13 lutego 2023 roku o godzinie 01:16:47 UTC, w detektorze ARCA KM3NeT zarejestrowano wyjątkowe zdarzenie, które nazwano KM3-230213A. W tym czasie w detektorze działało 21 linii detekcyjnych, a cała sieć była w tym konfiguracji od września 2022 roku do września 2023 roku. Zdarzenie to jest najenergetyczniejszym przypadkiem, który kiedykolwiek zarejestrowano w tym detektorze. W trakcie analizy zarejestrowano 28 086 trafień zarejestrowanych przez 21 linii detekcyjnych, co stanowi rekordowy wynik. Z uwagi na ogromną ilość wykrytego światła, najbliższe detektory były nasycone, co skutkowało wystąpieniem licznych, dużych kaskad — najprawdopodobniej z powodu procesów strat energii cząstki.

KM3NeT: Zaawansowana technologia detekcji neutrino

KM3NeT (Kilometer Cubic Neutrino Telescope) to sieć detektorów neutrino, zlokalizowana głęboko w Morzu Śródziemnym, zaprojektowana w celu badania wysokozenergetycznych neutrino kosmicznych. W skład tej infrastruktury wchodzą dwie instalacje: ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) i ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss). Detektor ARCA jest zlokalizowany u wybrzeży Sycylii, na głębokości około 3,450 m, i jest zoptymalizowany pod kątem badania neutrino o wysokiej energii. Z kolei ORCA znajduje się u wybrzeży południowej Francji, na głębokości około 2,450 m, i jest dedykowany badaniu oscylacji neutrino.

Obie instalacje są w trakcie budowy, ale już teraz są operacyjne. Docelowo, po zakończeniu budowy, każdy detektor będzie składał się z setek linii detekcyjnych, każda z 18 modułami optycznymi, w których znajdują się fotopowielacze (PMT) służące do rejestracji światła Cherenkowa powstałego w wyniku interakcji neutrino z materią detektora.

Proces detekcji: Jak działają detektory neutrino w KM3NeT

Neutrina oddziałują z materią w bardzo rzadki sposób, a procesy detekcji w KM3NeT polegają na rejestrowaniu światła Cherenkowa, które powstaje, gdy cząstki naładowane powstałe w wyniku interakcji neutrino przekraczają prędkość światła w wodzie. Detektory KM3NeT składają się z tysięcy fotopowielaczy, które monitorują całą przestrzeń wokół detektora, wykrywając światło cząstek naładowanych wytworzonych w wyniku oddziaływania neutrino.

W przypadku KM3-230213A zarejestrowano wyjątkowo intensywne światło, które sugeruje, że detektowane neutrino miało energię rzędu kilku petaelektronowoltów (PeV). Światło to pochodziło od mionu, który przemieszczając się przez detektor, wywołał charakterystyczne błyski na fotopowielaczach. Po analizie trajektorii i energii wykrytego mionu oszacowano, że jego energia wynosi około 35–380 PeV. To zdecydowanie więcej niż jakikolwiek inny zarejestrowany neutrino kosmiczny, co sugeruje, że to neutrino pochodzi z innego źródła kosmicznego niż dotychczasowe obserwowane.

Przyszłość badań i znaczenie tego odkrycia

Odkrycie to może stanowić przełom w badaniach nad źródłami wysokozenergetycznych neutrino. Obecnie badacze spekulują, że to neutrino mogło powstać w wyniku interakcji ultra-wysokozenergetycznych kosmicznych promieni i tła fotonowego w przestrzeni kosmicznej, tworząc tzw. „neutrino kosmogenne”. Będzie to wymagało dalszych badań oraz ulepszonych technologii detekcji, które pozwolą na precyzyjniejsze określenie miejsca i procesu powstawania tych zjawisk.

KM3NeT i inne podobne obserwatoria, takie jak IceCube w Antarktyce, będą miały kluczowe znaczenie w zrozumieniu natury tych kosmicznych cząsteczek oraz procesów fizycznych zachodzących w najodleglejszych częściach Wszechświata. Badanie wysokozenergetycznych neutrino może pomóc nam lepiej zrozumieć źródła ultra-wysokozenergetycznych promieni kosmicznych oraz inne tajemnice kosmologiczne.