Два года назад в мире физики произошло выдающееся событие, о котором ученые рассказали только сейчас. Недавно, 12 февраля 2025 года международное научное сообщество нейтринного телескопа KM3NeT опубликовало в журнале Nature подробности удивительного открытия.
Итак, 13 февраля 2023 года глубоководный телескоп нейтрино KM3NeT зафиксировал событие, получившее название KM3-230213A. Его детектор ARCA уловил нейтрино с предполагаемой энергией около 220 ПэВ (220⋅1015 эВ).
Два года ушло на долгую кропотливую работу по анализу и интерпретации полученных данных. Пойманное нейтрино — самое энергичное из когда-либо наблюдавшихся. Получено первое доказательство того, что нейтрино столь высоких энергий рождаются во вселенной.
KM3NeT наблюдает огромное число различных событий, которые не так просто идентифицировать. В данном случае одиночный мюон пересек весь детектор и вызвал сигналы более чем в трети активных датчиков. Наклон его траектории в сочетании с измеренной энергией дали убедительные доказательства того, что мюон произошел от космического нейтрино, испытавшего взаимодействие в непосредственной близости от детектора.
KM3NeT приступил к ислледованию таких диапазона энергии и чувствительности, в которых обнаруженные нейтрино могут возникать в результате экстремальных астрофизических явлений.
Это первое в истории выявление нейтрино с энергией в сотни петаэлектронвольт. Эксперимент открывает новую главу в нейтринной астрономии и иное наблюдательное окно во вселенную.
— Паскаль Койл, сотрудник Национального центра научных исследований физики частиц в Марселе, Франция.
Вселенная высоких энергий напрямую связана с масштабными космическими событиями, такими как слияние сверхмассивных черных дыр в центрах галактик, взрывы сверхновых звезд или все еще не полностью изученные гамма-всплески.
Такие гигантские природные ускорители порождают потоки частиц, которые принято называть космическими лучами. Некоторые из них испытывают столкновение с материей или фотонами вокруг источника, образуя нейтрино и вторичные фотоны. Некоторая другая часть взаимодействует с фотонами космического микроволнового фонового излучения, в результате чего образуются чрезвычайно энергичные космогенные нейтрино.
Нейтрино — одна из самых загадочных элементарных частиц, которая не обладает электрическим зарядом, почти не имеет массы и слабо взаимодействуют с материей. Их можно считать особыми космическими посланниками. Они приносят уникальную информацию о механизмах энергетических явлений и дают возможность исследовать самые дальние уголки Вселенной.
— Роза Конильоне, заместитель пресс-секретаря KM3NeT на момент обнаружения, научный сотрудник Национального института ядерной физики в Италии.
Нейтрино — вторая по распространенности частица во вселенной после фотонов. Однако слабое взаимодействие с материей делает нейтрино чрезвычайно сложными для обнаружения и требует детекторов огромных размеров. Нейтринный телескоп KM3NeT представляет собой гигантскую глубоководную инфраструктуру, распределенную по двум детекторам: ARCA и ORCA.
Телескоп занимает объем более кубического километра, при этом использует морскую воду в качестве среды взаимодействия нейтрино. Высокотехнологичные оптические модули обнаруживают свечение Черенкова — голубоватое сияние, которое рождается при прохождении через воду ультрарелятивистских частиц, образующихся при взаимодействии нейтрино.
Чтобы определить направление и энергию пойманного нейтрино, потребовалась точная калибровка телескопа и сложные алгоритмы реконструкции трека.
Заметим, что работы по введению детекторов в строй еще полностью не завершены — ARCA пока функционирует лишь на десятую часть своих возможностей. И тем не менее это замечательное событие было зарегистрировано! Мы видим, что наш эксперимент имеет огромный потенциал как для изучения нейтрино, так и для развития нейтринной астрономии.
— Аарт Хейбур, менеджер по физике и программному обеспечению KM3NeT, научный сотрудник Национального института субатомной физики Нихефа, Нидерланды.
Детектор KM3NeT/ARCA (Astroarticle Research with Cosmics in the Abyss) в основном предназначен для изучения нейтрино самых высоких энергий. Он расположен на глубине 3450 м, примерно в 80 км от побережья Портопало-ди-Капо-Пассеро в Сицилии. Его 700-метровые блоки обнаружения (DU, Detection Units) находятся на дне на расстоянии около 100 м друг от друга. Один такой блок оснащен 18‑ю цифровыми оптическими модулями (DOM), каждый из которых содержит 31 фотоумножитель (PMTs).
После окончательного ввода в эксплуатацию, ARCA будет состоять из 230 блоков. Собираемые данные транслируются по подводному кабелю на береговую станцию в Южную национальную лабораторию INFN.
Другой детектор, KM3NeT/ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), оптимизирован для изучения фундаментальных свойств самого нейтрино. Он находится на глубине 2450 м, в 40 км от побережья Тулона (Франция). После завершения строительства детектор будет состоять из 115 разнесенных на 20 м блоков, каждый высотой 200 м. Данные, собранные ORCA, отправляются на береговую станцию в Ла-Сейн-Сюр-Мер.
Масштаб KM3NeT в конечном итоге охватывает объем около одного кубического километра. Общее число фотоумножителей — около 200 000. Расположение — экстремальное, в пучине средиземного моря. Все это говорит об исключительных усилиях, которые приходится прикладывать для развития нейтринной астрономии и физики элементарных частиц. Обнаружение удивительного события стало результатом колоссальных совместных усилий многих международных команд инженеров, техников и ученых.
— Майлз Линдси Кларк, технический руководитель проекта, инженер-исследователь Лаборатории астрочастиц и космологии, Франция.
Захваченное сверх энергетическое нейтрино могло возникнуть непосредственно из мощного космического «ускорителя». Возможно, это действительно первое пойманное нейтрино космического происхождения. Однако на основе единственного события трудно сделать вывод о его возникновении.
Будущие наблюдения сосредоточится на обнаружении большего количества подобных событий. Таким образом, картина во многом прояснится. Дальнейшее наращивание мощности телескопа с помощью дополнительных устройств обнаружения улучшит его чувствительность и позволит получить уточняющие данные. Ученые обретут новые возможности по определению источников космических нейтрино, а KM3NeT станет ведущим участником многоканальной астрономии.
Сотрудничество вокруг нейтринного телескопа объединяет более 360 ученых, инженеров, техников и студентов из 68 институтов из 21 страны мира.
KM3NeT включен в дорожную карту Европейского стратегического форума по исследовательским инфраструктурам, где считается приоритетным комплексом. В дополнение к финансированию, которое предоставляют различные агентства в нескольких странах, телескоп спонсируют фонды европейских инновационных программ, а также европейский фонд регионального развития.
Автор: oneastok
