Astronomi koji koriste ogromnu mrežu senzora, koja je još u izgradnji na dnu Sredozemnog mora, pronašli su kosmičku "česticu duhova" najveće energije ikada otkrivenu.
Neutrino, kako se čestica službeno naziva, ima 30 puta veću energiju od bilo kojeg od nekoliko stotina prethodno detektiranih neutrina.
Ove sićušne, visokoenergetske čestice iz svemira često se nazivaju "sablasnim" jer su izuzetno hlapljive ili parovite i mogu proći kroz bilo koju vrstu materije bez promjene. Neutrini, koji na Zemlju stižu iz dalekih krajeva svemira, nemaju gotovo nikakvu masu. Čestice putuju kroz najekstremnija okruženja, uključujući zvijezde, planete i cijele galaksije, a ipak njihova struktura ostaje netaknuta.
Analiza neutrina čiji je autor KM3NeT kolaboracija, koja uključuje više od 360 naučnika iz cijelog svijeta, objavljena je u srijedu u časopisu Nature.
“Neutrini… su posebni kozmički glasnici, koji nam donose jedinstvene informacije o mehanizmima uključenim u najenergičnije fenomene i omogućuju nam istraživanje najudaljenijih dosega svemira”, rekla je koautorica studije Rosa Coniglione, zamjenica glasnogovornika KM3NeT-a i istraživačica na talijanskom INFN Nacionalnom institutu za nuklearnu fiziku, u izjavi.
Rekordni neutrino, nazvan KM3-230213A, imao je energiju od 220 miliona milijardi elektronvolti. Ova zapanjujuća količina čini ga oko 30.000 puta snažnijim od onoga za što je sposoban akcelerator čestica u Velikom hadronskom sudaraču u Evropskoj organizaciji za nuklearna istraživanja (CERN) u blizini Ženeve u Švicarskoj — poznat po nabijanju čestica gotovo do brzine svjetlosti.
"Jedan način na koji volim razmišljati o tome je da je energija ovog pojedinačnog neutrina ekvivalentna energiji oslobođenoj cijepanjem niti jednog atoma urana, niti deset takvih atoma, ili čak milion njih", rekao je koautor studije dr. Brad K. Gibson. "Ovaj jedan mali neutrino imao je toliko energije koliko i energija oslobođena cijepanjem jedne milijarde atoma urana… zapanjujući broj kada usporedimo energiju naših reaktora za nuklearnu fuziju s ovim jednim jedinim eterskim neutrinom."
Čestica pruža neke od prvih dokaza da se takvi visokoenergetski neutrini mogu stvoriti u svemiru. Tim vjeruje da je neutrino došao izvan galaksije Mliječni put, ali tek trebaju identificirati njegovu tačnu tačku porijekla, što postavlja pitanje što je uopće stvorilo neutrino i poslalo ga u kosmos - možda ekstremno okruženje kao što je supermasivna crna rupa, prasak gama zraka ili ostatak supernove.
Revolucionarna detekcija otvara novo poglavlje astronomije neutrina, kao i novi promatrački prozor u svemir, rekao je koautor studije Paschal Coyle, glasnogovornik KM3NeT-a i istraživač u Centre National de la Recherche Scientifique – Centre de Physique des Particules de Marseille u Francuskoj.
"KM3NeT je počeo ispitivati raspon energije i osjetljivosti gdje otkriveni neutrini mogu potjecati od ekstremnih astrofizičkih fenomena", rekao je Coyle.
Svjetlo u okeanu
Neutrine je teško detektirati jer oni često ne stupaju u interakciju s okolinom — ali stupaju u interakciju s ledom i vodom. Kada neutrini stupe u izravnu interakciju s detektorima, oni zrače plavičasto svjetlo koje može uhvatiti obližnja mreža digitalnih optičkih senzora ugrađenih u led ili plutajućih u vodi.
Na primjer, neutrinski opservatorij IceCube na Južnom polu uključuje mrežu od više od 5000 senzora ugrađenih u antarktički led. Detektor radi od 2011. godine, a otkrio je stotine neutrina. Naučnici su uspjeli pratiti neke od njih do njihovih kozmičkih izvora, poput blazara ili svijetle jezgre aktivne galaksije.
Međunarodni tim osmislio je ideju o mreži detektora u ranim 2010-ima — poznatoj kao Kubni kilometarski neutrinski teleskop ili KM3NeT — koji bi mogli uhvatiti neutrine u dubokom okeanu. Postavljanje mreže počelo je 2015. godine.
KM3NeT napravio je rekordnu detekciju 13. februara 2023., kada je čestica osvijetlila jedan od njegova dva detektora. ARCA, ili Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss, nalazi se na dubini od 11.319 stopa (3.450 metara), dok je ORCA, ili Oscillation Research with Cosmics in the Abyss, na dubini od 2.450 metara na dnu Sredozemnog mora.
Detektor ARCA, u blizini sicilijanske obale u blizini Capo Passera, u Italiji, dizajniran je za otkrivanje neutrina visoke energije, dok je ORCA, u blizini Toulona u jugoistočnoj Francuskoj, posvećen potrazi za neutrinom niske energije.
KM3NeT, koji uključuje mrežu senzora usidrenih na morsko dno, ostaje u izgradnji. Ali bilo je dovoljno detektora da se uhvati neutrino visoke energije, rekli su autori studije.
ARCA detektor je radio sa samo 10% svojih planiranih komponenti na mjestu kada je čestica pratila gotovo vodoravnu putanju kroz cijeli teleskop, aktivirajući signale u više od jedne trećine aktivnih senzora. Detektor je zabilježio više od 28 000 fotona svjetlosti koju je proizvela nabijena čestica.
Tajanstveno, moćno porijeklo
Kad bi se energija unutar neutrina pretvorila za naše razumijevanje svakodnevnih objekata, iznosila bi 0,04 džula, ili energiju ping-pong loptice koja je ispuštena s visine od 1 metar, rekao je koautor studije Aart Heijboer, koordinator fizike KM3NeT-a i profesor na Nizozemskom nacionalnom institutu za subatomsku fiziku, ili NIKHEF, i Univerzitetu u Amsterdamu u Nizozemskoj.
Ta bi količina mogla napajati malo LED svjetlo oko 1 sekunde, rekao je.
“Dakle, to nije velika količina energije za svakodnevne predmete, ali činjenica da je takva analogija sa svakodnevnim svijetom uopće moguća je sama po sebi izvanredna. Sva ta energija bila je sadržana u jednoj jedinoj, elementarnoj čestici", rekao je Heijboer.
Na ljestvici čestica, neutrino se smatra ultra-energičnim, s približno milijardu puta 100 miliona puta većom energijom od fotona vidljive svjetlosti, prema autorima studije.
Otkrivanje neutrina na Zemlji omogućuje istraživačima da ih prate do njihovih izvora. Razumijevanje odakle ove čestice dolaze moglo bi otkriti više o porijeklu tajanstvenih kosmičkih zraka, za koje se dugo smatralo da su primarni izvor neutrina kada zrake udare u Zemljinu atmosferu.
Čestice s najvećom energijom u svemiru, kozmičke zrake bombardiraju Zemlju iz svemira. Te su zrake uglavnom sastavljene od protona ili atomskih jezgri, a šire se svemirom jer ono što ih proizvodi toliko je moćan akcelerator čestica da zamanjuje mogućnosti Velikog hadronskog sudarača. Neutrini bi mogli informirati astronome o tome odakle dolaze kozmičke zrake i što ih lansira širom svemira.
Istraživači vjeruju da je nešto snažno oslobodilo novopronađeni neutrino, kao što je eksplozija gama zraka ili interakcija kosmičkih zraka s fotonima iz kosmičke mikrovalne pozadine, što je zaostalo zračenje od velikog praska prije 13,8 milijardi godina.
Tokom studije, autori su također identificirali 12 potencijalnih blazara koji bi mogli biti odgovorni za stvaranje neutrina. Blazari su kompatibilni s procijenjenim smjerom iz kojeg je čestica putovala, na temelju podataka prikupljenih detektorima i unakrsnih podataka iz gama zraka, X zraka i radio teleskopa. Ali potrebno je više istraživanja.
“Mnoge detekcije kozmičkih neutrina ne uspijevaju pokazati jake korelacije s katalogiziranim objektima, možda ukazujući na izvorne populacije koje su vrlo udaljene od Zemlje ili upućuju na još neotkrivenu vrstu astrofizičkog objekta,” rekao je Erik K. Blaufuss, istraživač i astrofizičar čestica na odjelu fizike na Univerzitetu Maryland, College Park, u popratni članak. Blaufuss nije bio uključen u studiju.
"Iako će za potpuno razumijevanje porijekla ovog događaja trebati vremena, on ostaje izvanredna poruka dobrodošlice za KM3NeT", rekao je.
