У екзотичному світі фізики елементарних частинок нейтрино, мабуть, є найзагадковішими представниками. Вони майже не взаємодіють з іншою речовиною, мають практично нульову масу і не мають електричного заряду. Ці особливості роблять їх надзвичайно складними для дослідження. Навіть для їхнього виявлення потрібні спеціальні установки, розташовані в глибоких печерах, у товстому льоді Антарктиди або на дні океану.
Фіксація найенергетичнішого нейтрино
Один із найпотужніших детекторів нейтрино називається KM3NeT, що розшифровується як «Кубічний кілометровий нейтринний телескоп». Він розташований на дні Середземного моря, і в лютому 2023 року зафіксував найенергетичніше нейтрино, яке коли-небудь спостерігали. Воно отримало назву KM3-230213A, а його енергія, за оцінками, становила 220 ПеВ (220 × 10¹⁵ електронвольт або 220 мільйонів мільярдів електронвольт). Це неймовірна кількість енергії, і з моменту його виявлення фізики намагаються визначити його джерело.
Нейтрино походять із високоенергетичного Всесвіту. Це світ катастрофічних наднових, гамма-спалахів, кілонових та інших надзвичайно енергетичних подій. Лише вони здатні надати частинкам таку високу енергію. Однак відстежити походження KM3-230213A до однієї з цих подій було складним науковим завданням. Що вже казати про визначення їхнього джерела!
Детектори нейтрино насправді не виявляють самі нейтрино. Натомість вони виявляють вторинні частинки або черенковське випромінювання, яке виникає в рідкісних випадках, коли нейтрино взаємодіє з іншою речовиною. У випадку KM3-230213A було виявлено мюон.
Пошук джерела випромінювання
Після ретельного дослідження цього високоенергетичного явища науковці, пов’язані з проєктом KM3NeT, опублікували свої результати в журналі Nature. Дослідження має назву «Спостереження космічного нейтрино надвисокої енергії за допомогою KM3NeT». Автором вказана колаборація KM3NeT.
«Виявлення космічних нейтрино з енергією понад тераелектронвольт (ТеВ) відкриває унікальні можливості для дослідження астрофізичних явищ, — заявляють науковці. — Будучи електрично нейтральними та взаємодіючи лише за допомогою слабкої взаємодії, нейтрино не відхиляються магнітними полями й рідко поглинаються міжзоряною речовиною: напрямок їхнього руху вказує на те, що їхнє космічне походження може бути пов’язане з найвіддаленішими куточками Всесвіту».
Високоенергетичні нейтрино мають конкретні джерела. Вони утворюються під час взаємодії ультрарелятивістських протонів або ядер космічного випромінювання з речовиною чи фотонами. За словами науковців, під час спостереження нейтрино вони ніби дивляться на «підпис» самого процесу. Дослідникам вдалося простежити шлях високоенергетичного нейтрино до місця його походження, але не з точністю до міліметра. У процесі роботи було виявлено чотири типи потенційних джерел: галактичне, місцеве, тимчасове та позагалактичне походження.
У своїй статті автори нагадують, що енергія в KM3-230213A була набагато більшою, ніж у будь-якому іншому виявленні до цього часу. Є лише кілька причин, чому воно могло бути таким енергетичним. Або воно походило з іншого космічного об’єкта, ніж інші менш енергетичні нейтрино, або це приклад космогенного нейтрино.
Чи є це космогенним нейтрино?
На сьогодні космогенні нейтрино залишаються здебільшого гіпотетичним явищем, оскільки їх ще не вдалося чітко зафіксувати. Вони утворюються, коли космічні промені надвисокої енергії — протони або важчі ядра, що рухаються зі швидкістю, близькою до світлової, — зіштовхуються з фотонами космічного мікрохвильового фону, реліктового випромінювання, що залишилося після Великого вибуху. Удар створює ланцюг розпаду та каскадний потік інших частинок, включаючи нейтрино надвисокої енергії, такі як KM3-230213A.
Космогенні нейтрино захоплюють із кількох причин. Вони здатні безпосередньо вказувати на свої джерела — активні ядра галактик, гамма-спалахи чи навіть злиття галактик. Оскільки такі частинки утворювалися впродовж усієї історії Всесвіту, вони можуть слугувати своєрідними зондами його ранніх етапів. До того ж їхні енергії значно перевищують усе, що ми здатні відтворити в прискорювачах частинок, тож їхнє вивчення відкриває шлях до фізики за межами Стандартної моделі. Інакше кажучи, це справжня наукова знахідка.
У своїй статті науковці пояснюють, що ця подія могла бути викликана космогенним нейтрино, і що це пояснення є реальною альтернативною гіпотезою.
Без чіткого висновку
Все зводиться до надзвичайно високої енергії нейтрино. «Це свідчить про те, що нейтрино могло виникнути в іншому космічному прискорювачі, ніж нейтрино з нижчою енергією, або це може бути першим виявленням космогенного нейтрино, що є результатом взаємодії космічних променів надвисокої енергії з фоновими фотонами у Всесвіті», — пишуть вони.
Розуміння цих високоенергетичних нейтрино залежатиме від майбутніх нейтринних обсерваторій та модернізації наявних. Проєкт KM3NeT розширюється за рахунок встановлення додаткових детекторів. Це дозволить не тільки ефективніше виявляти нейтрино, а й точніше визначати їхні джерела у космосі.
За матеріалами phys.org
