Στον βυθό της Μεσογείου το πιο ενεργειακό κοσμικό νετρίνο - Τι είναι και πώς εντοπίστηκε

Με ιδιαίτερη χαρά και ενθουσιασμό το Ινστιτούτο Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής (ΙΠΣΦ), του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε.  «Δημόκριτος» ανακοινώνει την ανίχνευση κοσμικού νετρίνο με τη μεγαλύτερη ενέργεια που έχει καταγραφεί ποτέ, περίπου 220 PeV, από το πείραμα KM3NeT. Η ομάδα Αστροσωματιδιακής Φυσικής του ΙΠΣΦ συμμετέχει ενεργά στο KM3NeT διαδραματίζοντας κομβικό ρόλο την κατασκευή, την λειτουργία, την ανάλυση δεδομένων και το management του πειράματος

Το αξιοσημείωτο αυτό γεγονός, που ονομάστηκε KM3-230213A, ανιχνεύθηκε στις 13 Φεβρουαρίου από τον ανιχνευτή ARCA του τηλεσκοπίου νετρίνων με όγκο ενός κυβικού χιλιομέτρου KM3NeT, που είναι ποντισμένος στη βαθιά θάλασσα. Αυτό είναι το πιο υψηλο-ενεργειακό νετρίνο που έχει ανιχνευθεί ποτέ και παρέχει την πρώτη απόδειξη ότι νετρίνα τόσο υψηλών ενεργειών παράγονται στο Σύμπαν,  που δεν βασίζεται στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία - το φως. Πολλές πτυχές του σύμπαντος δεν μπορούν να αποκρυπτογραφηθούν μόνο με τη χρήση του φωτός. Τα νετρίνα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, δεν διαταράσσονται ούτε από το ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο και σπάνια αλληλεπιδρούν με την ύλη. Καθώς τα νετρίνα ταξιδεύουν στο διάστημα, περνούν ανεμπόδιστα μέσα από την ύλη - αστέρια, πλανήτες ή οτιδήποτε άλλο.

Τι είναι το κοσμικό νετρίνο

Το κοσμικό νετρίνο είναι ένα υποατομικό σωματίδιο που προέρχεται από κοσμικές πηγές, όπως ο Ήλιος, οι σουπερνόβα, οι συγκρούσεις σωματιδίων στις ακτίνες του σύμπαντος και το απολίθωμα της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang).

Βασικά χαρακτηριστικά

• Εξαιρετικά ελαφρύ: Έχει πολύ μικρή μάζα, αν και δεν είναι μηδενική
• Ηλεκτρικά ουδέτερο: Δεν αλληλεπιδρά μέσω της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης
• Αδύναμη αλληλεπίδραση: Αλληλεπιδρά κυρίως μέσω της ασθενούς δύναμης και της βαρύτητας, κάτι που το καθιστά εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθεί.
• Υψηλή διεισδυτικότητα: Μπορεί να περάσει μέσα από ολόκληρους πλανήτες χωρίς να αλληλεπιδράσει.

Κατηγορίες Κοσμικών Νετρίνων:

• Ηλιακά νετρίνα: Παράγονται από τις πυρηνικές αντιδράσεις στον Ήλιο.
• Ατμοσφαιρικά νετρίνα: Δημιουργούνται από συγκρούσεις κοσμικών ακτίνων με τα μόρια της ατμόσφαιρας.
• Νετρίνα από εκρήξεις σουπερνόβα: Προέρχονται από την κατάρρευση των άστρων.
• Πρωτογενή κοσμικά νετρίνα (Big Bang neutrinos): Θεωρούνται «απολίθωμα» της Μεγάλης Έκρηξης και ανήκουν στο Κοσμικό Υπόβαθρο Νετρίνων (CνB - Cosmic Neutrino Background).

Ανίχνευση

Λόγω της ασθενούς αλληλεπίδρασής τους, απαιτούνται τεράστιες και εξαιρετικά ευαίσθητες εγκαταστάσεις, όπως:

• Super-Kamiokande (Ιαπωνία) – δεξαμενή νερού που ανιχνεύει φωτεινές εκλάμψεις από συγκρούσεις νετρίνων.
• IceCube (Ανταρκτική) – αισθητήρες μέσα στον πάγο που ανιχνεύουν τις σπάνιες αλληλεπιδράσεις των νετρίνων.
• Sudbury Neutrino Observatory (Καναδάς) – χρησιμοποιεί βαρέα ύδατα για την ανίχνευση ηλιακών νετρίνων.

Τα κοσμικά νετρίνα είναι από τα πιο μυστηριώδη σωματίδια και θεωρούνται κλειδί για την κατανόηση θεμελιωδών ερωτημάτων της κοσμολογίας και της φυσικής σωματιδίων.

Το υποθαλάσσιο τηλεσκόπιο νετρίνων

Το KM3NeT (Cubic Kilometer Neutrino Telescope) είναι ένα υποθαλάσσιο τηλεσκόπιο νετρίνων που κατασκευάζεται στη Μεσόγειο Θάλασσα. Έχει σχεδιαστεί για να ανιχνεύει υψηλής ενέργειας κοσμικά νετρίνα και να μελετά την προέλευσή τους, καθώς και να συμβάλλει στην έρευνα για τη θεμελιώδη φυσική σωματιδίων.

Ο ανιχνευτής KM3NeT/ARCA(Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) εστιάζει κυρίως στη μελέτη νετρίνων υψηλών ενεργειών και των πηγών τους στο Σύμπαν. Ο ανιχνευτής είναι τοποθετημένος σε βάθος 3450 μέτρων, 80 περίπου χιλιόμετρα από την ακτή Portopalo di Capo Passero, στη Σικελία. Οι ανιχνευτικές του μονάδες, ύψους 700 μέτρων, στερεώνονται με άγκυρες στον βυθό και είναι τοποθετημένες σε αποστάσεις περίπου 100 μέτρων μεταξύ τους. Κάθε ανιχνευτική μονάδα αποτελείται από 18 Οπτικά Στοιχεία, καθένα από τα οποία περιέχει 31 φωτοπολλαπλασιαστές. Στην τελική του διάταξη, ο ανιχνευτής ARCA θα περιλαμβάνει 230 ανιχνευτικές μονάδες. Τα δεδομένα που συλλέγονται μεταδίδονται μέσω υποθαλάσσιων καλωδίων στον παράκτιο σταθμό στο εργαστήριο του Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής INFN, Ιταλία.

Ο ανιχνευτής KM3NeT/ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) είναι βελτιστοποιημένος για την μελέτη των θεμελιωδών ιδιοτήτων του νετρίνου. Ο ανιχνευτής είναι τοποθετημένος σε βάθος 2450 μέτρων, περίπου 40 χιλιόμετρα από την ακτή της Toulon, στη Γαλλία. Περιλαμβάνει 115 ανιχνευτικές μονάδες, καθεμία ύψους 200 μέτρων, σε απόσταση περίπου 20 μέτρων μεταξύ τους. Τα δεδομένα που συλλέγονται από την ORCA μεταδίδονται στον παράκτιο σταθμό της La Seyne Sur Mer, στη Γαλλία.

«Το μέγεθος του KM3NeT, που τελικά θα καλύπτει έναν όγκο σχεδόν ενός κυβικού χιλιομέτρου με περίπου 200 000 PMTs συνολικά, και η ακραία τοποθεσία του στην άβυσσο της Μεσογείου, καταδεικνύει τις εξαιρετικές προσπάθειες που απαιτούνται για την
προώθηση της αστρονομίας των νετρίνων και της σωματιδιακής φυσικής. Η ανίχνευση αυτού του γεγονότος είναι το αποτέλεσμα της τεράστιας συνεργατικής προσπάθειας πολλών διεθνών ομάδων μηχανικών, τεχνικών και επιστημόνων», σχολιάζει ο Miles Lindsey Clark, Τεχνικός Υπεύθυνος Έργου του KM3NeT κατά την περίοδο της ανίχνευσης και ερευνητής
μηχανικός στο εργαστήριο Αστροσωματιδιακής Φυσικής και Κοσμολογίας, IN2P3/CNRS, στη Γαλλία.

Αυτό το νετρίνο υπερ-υψηλής ενέργειας μπορεί να προέρχεται απευθείας από έναν πανίσχυρο κοσμικό επιταχυντή. Εναλλακτικά, θα μπορούσε να είναι η πρώτη ανίχνευση ενός νετρίνου κοσμογονικής προέλευσης. Ωστόσο, είναι δύσκολο να συμπεράνει κανείς την
προέλευση του με βάση ένα μόνο νετρίνο. Οι μελλοντικές παρατηρήσεις θα επικεντρωθούν στον εντοπισμό περισσότερων τέτοιων γεγονότων για να δημιουργήσουν μια σαφέστερη εικόνα.

Η συνεχιζόμενη επέκταση του KM3NeT με πρόσθετες μονάδες ανίχνευσης και η απόκτηση περισσότερων δεδομένων θα βελτιώσει την ευαισθησία του ανιχνευτή και θα ενισχύσει την ικανότητά του να εντοπίζει κοσμικές πηγές νετρίνων, καθιστώντας το κορυφαίο συντελεστή στην αστρονομία πολλαπλών αγγελιοφόρων (multimessenger astronomy).