Na 3.500 metara ispod Mediterana podvodni teleskop sa 200.000 "očiju" zabilježio najenergičniji događaj u historiji

Događaj, nazvan KM3-230213A, objavljen je u časopisu Nature u februaru 2025. godine nakon dvije godine analize. Neutrino je putovao gotovo horizontalno otprilike 140 km kroz stijene i vodu prije nego što je stupio u interakciju sa Sredozemnim morem i osvijetlio više od trećine fotomultiplikatora detektora. Potpis je bio jasan, svijetao i kompatibilan s kosmičkim porijeklom.

KM3NeT je evropska infrastruktura koju čine dva detektora na dnu Mediterana: ARCA, instaliran kod obale Sicilije, na dubini od 3.500 metara, i ORCA, instaliran 40 km od obale Toulona u Francuskoj, na 2.450 metara.

Najenergičniji neutrino ikada viđen u Mediteranu

Događaj KM3-230213A smatra se najenergičnijim neutrinom ikada opaženim. Podaci su još impresivniji jer je detektovan kada je samo dio konačnog detektora bio u funkciji.

Energija od 220 PeV stavlja ovaj neutrino daleko iznad razmjera koje proizvode mašine koje je napravio čovjek. Poređenja radi, LHC u Ženevi sudara protone na 13,6 TeV, dok je neutrino koji je detektovao KM3NeT imao energiju 16 hiljada puta veću.

Ova razlika pokazuje da je neki prirodni kosmički proces bio u stanju ubrzati čestice do nivoa daleko iznad trenutne ljudske tehnologije. Izvor može biti povezan sa supermasivnim crnim rupama, aktivnim galaksijama, magnetarima ili drugim ekstremnim fenomenima svemira.

Kosmički neutrini

Neutrini su neke od najtežih čestica za detekciju u svemiru. Imaju gotovo nultu masu, nemaju električni naboj i rijetko interaguju s materijom.

Svake sekunde, trilioni solarnih neutrina prolaze kroz svaki kvadratni centimetar ljudskog tijela bez ikakvog primjetnog efekta. Većina prolazi kroz cijelu Zemlju kao da je planeta gotovo prozirna.

Zbog ove karakteristike je izuzetno teško uhvatiti neutrine. Da bi se detektovalo nekoliko događaja godišnje, potrebno je transformisati ogromne količine vode, leda ili nekog drugog prozirnog medija u detektore čestica.

Podvodni detektor mora biti gigantskih razmjera

Neutrino uobičajene energije morao bi proći kroz ogromnu količinu materije da bi imao razumnu šansu za interakciju s atomom. Stoga, detektori poput KM3NeT-a moraju koristiti samo more kao dio naučnog instrumenta.

KM3NeT je, koristeći podvodni detektor na 3.500 metara, detektovao rekordni kosmički neutrino od 220 PeV u Mediteranu, što je energija 16.000 puta veća od one koju ima LHC.

Kada neutrino vrlo visoke energije konačno interaguje sa atomskim jezgrom u vodi, on proizvodi kaskadu sekundarnih čestica. Ove čestice generišu plavi bljesak svjetlosti koji se naziva Čerenkovljevo zračenje.

Ova svjetlost traje djelić nanosekunde, ali je mogu uhvatiti izuzetno osjetljivi senzori. KM3NeT je napravljen da snimi ovaj sićušni bljesak u apsolutnom mraku mediteranskog morskog dna.

Poput zvučnog praska unutar vode

Čerenkovljevo zračenje nastaje kada nabijene čestice putuju kroz vodu brže nego što se svjetlost može širiti u toj sredini. Ovo ne narušava brzinu svjetlosti u vakuumu, ali stvara efekat sličan zvučnom prasku supersoničnog aviona.

U slučaju KM3NeT, ovaj efekat se pojavljuje kao plavkasta emisija.

Poređenjem vremena dolaska svjetlosti na različite senzore, fizičari mogu rekonstruisati putanju sekundarne čestice. Na osnovu toga zaključuju o prvobitnom smjeru kosmičkog neutrina.

ARCA i ORCA proučavaju različita pitanja o neutrinima i svemiru

KM3NeT se sastoji od dva nezavisna detektora. ARCA, akronim za Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss (Astropartikularna istraživanja s kosmicima u ponoru), nalazi se uz obalu Portopalo di Capo Passero na Siciliji i dizajniran je za detekciju visokoenergetskih kosmičkih neutrina.

ORCA, akronim za Istraživanje oscilacija s kosmičkim zracima u ponoru (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), nalazi se u blizini Toulona u Francuskoj i ima još jedan cilj: proučavanje fundamentalnih svojstava atmosferskih neutrina nastalih interakcijom kosmičkih zraka sa Zemljinom atmosferom.

Razlika između njih dva leži u geometriji. ARCA pokriva veći volumen kako bi zabilježio rijetke i energične događaje, dok ORCA koristi bliže senzore za mjerenje manje energetskih neutrina s većom preciznošću.

U konačnoj konfiguraciji, ARCA će imati 230 vertikalnih nizova, svaki sa 18 digitalnih optičkih modula. Svaki modul sadrži 31 fotomultiplikator, cijev sposobnu da pretvori jedan foton u električni signal pojačan milijarde puta.

To rezultira sa 128.340 fotomultiplikatora samo u ARCA-i. Oni će biti raspoređeni po morskom dnu, formirajući trodimenzionalnu mrežu senzora usmjerenih na detekciju Čerenkovljevih bljeskova.

Razmak između ARCA nizova je 95 metara, s modulima razdvojenim 36 metara. Ova arhitektura je dizajnirana za kosmičke neutrine ultra visoke energije, koji proizvode dovoljno svijetle signale da se mogu detektovati na velikim udaljenostima.

ORCA će mjeriti neutrinske oscilacije i istraživati ​​hijerarhiju mase

ORCA ima gušću geometriju, sa strunama razmaknutim samo 20 metara. Njegov cilj je mjerenje atmosferskih neutrina mnogo niže energije, u GeV rasponu, koji generiraju slabije signale.

Ovaj detektor proučava oscilacije neutrina, fenomen u kojem se tri poznate vrste ovih čestica transformišu jedna u drugu dok putuju. Način na koji se ove oscilacije događaju može otkriti hijerarhiju mase neutrina.

Ovo je fundamentalno pitanje u fizici čestica. Standardni model opisuje neutrine, ali ne objašnjava u potpunosti njihove mase niti tačan redoslijed među njima.

200 hiljada elektronskih očiju na dnu Sredozemnog mora

Kada bude završen, KM3NeT će instrumentirati više od kubnog kilometra mediteranske vode sa oko 200 hiljada fotomultiplikatora, raspoređenih u 345 vertikalnih nizova.

Svaka struna je usidrena za morsko dno i produžena plutajućim staklenim sferama na vrhu. U ARCA-i, strune su duge 800 metara; u ORCA-i, 400 metara.

Okruženje je ekstremno: pritisak od stotina atmosfera, apsolutni mrak, konstantna temperatura i održavanje moguće samo brodovima i daljinski upravljanim vozilima. Uprkos tome, upravo ta izolacija čini morsko dno idealnim za lov na rijetke bljeskove neutrina.

Energija neutrina premašila razmjere najvećeg ljudskog akceleratora za 16.000 puta

Neutrino KM3-230213A imao je procijenjenu energiju od 220 PeV. Ovu skalu je teško zamisliti, ali poređenje sa LHC-om pomaže u određivanju veličine fenomena.

Najveći svjetski akcelerator čestica radi u teraelektronvoltnom rasponu, dok je ovaj neutrino do detektora stigao s energijom u petaelektronvoltnom rasponu. Razlika je nekoliko redova veličine.

To znači da svemir proizvodi prirodne akceleratore daleko ekstremnije od bilo koje ljudske mašine. KM3NeT nije stvorio ovu česticu; on je samo zabilježio prolazak kosmičkog glasnika koji dolazi iz nekih od najnasilnijih okruženja u kosmosu.

Sredozemno morsko dno postaje laboratorij

Izbor dubokog Mediterana nije bio slučajan. Apsolutni mrak smanjuje interferenciju svjetlosti, voda ima odgovarajuću prozirnost za širenje plave svjetlosti, a termička stabilnost pomaže u održavanju preciznog rada senzora.

Svaki detekcijski niz je povezan sa spojnim jedinicama na morskom dnu elektrooptičkim kablovima. Ovi kablovi napajaju module i prenose podatke u realnom vremenu u laboratorije na kopnu.

U ARCA-i, podaci idu u INFN laboratoriju u Cataniji na Siciliji. U ORCA-i, oni idu u La Seyne-sur-Mer, blizu Toulona. Milioni signala se filtriraju kako bi se odvojila bioluminiscentna buka, kosmičke zrake i rijetki neutrinski događaji.

┈➤ Program N1 televizije možete pratiti UŽIVO na ovom linku kao i putem aplikacija za Android /iPhone/iPad