Охота за Нейтрино: Погружение в Космические Тайны
Ниже волн Средиземного моря нейтрино-телескоп KM3NeT Европы ведет космическую охоту. Высокие ряды датчиков опускаются на километр к морскому дну, организованные в обширной трехмерной сетке.
Его миссия? Поймать призрачные субатомные частицы, называемые нейтрино, которые могут беспрепятственно путешествовать по вселенной, даже проходя сквозь планеты и звезды, неся с собой подсказки о событиях, происходящих далеко за пределами нашей солнечной системы.
В ранние часы 13 февраля 2023 года KM3NeT зафиксировал нечто удивительное. Яркий всплеск чистой энергии сигнализировал о том, что это самый энергетический нейтрино, когда-либо наблюдаемый — в 30 раз более мощный, чем любое предыдущее измерение. Ученые с тех пор пытаются выяснить, откуда он пришел.
Зачем охотиться на нейтрино?
Нейтрино были впервые теоретически предполагаемы в 1930-х годах и обнаружены много лет спустя. Они являются одними из самых многочисленных частиц во вселенной, но одновременно и самыми неуловимыми.
Каждую секунду миллиарды нейтрино проходят через наши тела, не оставляя следов. У них нет электрического заряда и практически нет массы — они в миллион раз легче электрона — и они редко взаимодействуют с материей, что делает их крайне трудными для обнаружения.
Именно эта призрачная природа делает их такими привлекательными для физиков.
«Нейтрино — самые интересные частицы на данный момент,» говорит Пашаль Койл из Французского национального центра научных исследований, который координирует проект KM3NeT-INFRADEV2, поддерживающий развитие инфраструктуры KM3NeT. «Вокруг них много тайн. Они наименее понимаемые из фундаментальных частиц.»
Поскольку нейтрино могут пересекать вселенную, не будучи поглощены, они несут чистую информацию из самых экстремальных условий, известных науке: взрывающихся звезд, черных дыр и космических столкновений.
Изучение нейтрино может раскрыть, как работает вселенная — и даже почему вообще существует материя.
«Нейтрино — это ближнее к никуда, что мы можем представить, но они ключ к полному пониманию работы вселенной,» добавляет Койл.
Охотники за призраками
Каждое так часто нейтрино наносит удар по атомному ядру, создавая поток вторичных частиц. В плотном, прозрачном материале, таком как лед или вода, это столкновение приводит к слабому синему всплеску света, известному как радиация Черенкова. Датчики KM3NeT спроектированы так, чтобы поймать этот сигнал.
Этот подход разделяют и другие нейтринные обсерватории, такие как IceCube в Антарктиде и Super-Kamiokande в Японии. IceCube исследует глубокий полярный лед, а KM3NeT смотрит сквозь темные воды Средиземного моря.
KM3NeT — одна из ведущих научных инфраструктур Европы и один из самых амбициозных проектов физики в мире. Поддерживаемый международным консорциумом с финансированием со стороны ЕС и национальных структур, он состоит из двух отдельных установок.
ARCA (Исследования астрофизических частиц в бездне) находится у побережья Сицилии и предназначена для отслеживания высокоэнергетических нейтрино из глубокого космоса. ORCA (Исследование осцилляций с космическими лучами в бездне), расположенная недалеко от Тулона во Франции, фокусируется на поведении нейтрино и их массе.
Каждый массив построен из вертикальных линий стеклянных шаров размером с баскетбольный мяч, содержащих ультрачувствительные оптические датчики. Эти линии поднимаются со дна моря, словно подводные небоскребы, протянувшись на километр в темноту. Более 1000 модулей уже установлены, и планируется 6000 к 2027 году.
«Сначала казалось безумной идеей строить детектор на дне моря, чтобы поймать эти странные частицы,» сказал Арт Хейбёйер, старший физик Нидерландского национального института субатомной физики, который помог проектировать телескоп. «Это стало моим воображением.»
Вся эта инженерия служит единственной цели: увидеть редкие всплески, когда нейтрино наконец проявляет себя.
Рекордный сигнал
Нейтрино, зафиксированное в 2023 году и получившее название KM3-230213A, зарегистрировало уровень энергии в 220 петаэлектронвольт (PeV) — это чрезвычайно высокая цифра для одной частицы и почти непостижимо в области физики частиц. «Мы не ожидали найти такое событие,» говорит Койл. «Нам пришлось переделать множество симуляций.»
Откуда оно пришло? Это остается большой тайной.
Нейтрино производятся различными источниками, от ядерных реакций, питающих солнце, до взрывающихся звезд (суперновых) и других космических явлений высокой энергии. Одна из теорий предполагает, что самые энергетические нейтрино происходят от блазаров — активных галактик, чьи сверхмассивные черные дыры выбрасывают струи энергии прямо к Земле.
Еще одной возможностью является то, что высокоэнергетические космические лучи, стремящиеся по вселенной, сталкиваются с фотонами света, чтобы генерировать нейтрино. Если KM3-230213A было произведено таким образом, это будет означать, что космогенные нейтрино более распространены, чем ожидалось.
«Или нам просто повезло,» признается Койл. «Может быть, KM3NeT удалось зафиксировать редкое, очень высокоэнергетическое нейтрино случайно.»
Исследователи уточняют расчеты, чтобы отследить его точное происхождение. «В ближайшие месяцы мы получим гораздо более точное измерение его направления,» говорит Хейбёйер. «Если оно идет от блазара, это очень захватывающе. Если космогенное — это тоже захватывающе.»
Изучение природы материи
Пока ARCA ищет источник самых мощных частиц во вселенной, ORCA сосредотачивается на том, как нейтрино меняют свою идентичность или осциллируют между тремя различными «вкусами» — электронным, мюонным и тау — по мере их движения через пространство.
Эти осцилляции могут раскрыть порядок нейтрино массы, недостающий элемент в Стандартной модели физики, теории, описывающей фундаментальные частицы материи. Порядок массы относится к последовательности трех состояний массы нейтрино от самого легкого до самого тяжелого.
Почему это важно? Потому что понимание нейтрино может объяснить, почему существует что-то, а не пустота.
После Большого взрыва 13,7 миллиарда лет назад материя и анти-материя должны были уничтожить друг друга, оставив только пустое пространство. Тем не менее, материя выжила. Нейтрино могут держать ключ к разгадке, особенно если они оказываются своими собственными анти-partikula – возможность, которую ученые стремятся проверить.
«Все эксперименты, которые пытаются измерить разницу между нейтрино и анти-нейтрино, запутываются, потому что они не знают, каков порядок масс,» объясняет Койл. «Это важный вклад в понимание того, почему материи больше, чем анти-материи.»
Преимущество Европы в глубоких морях
Создавая KM3NeT, Европа обеспечила себе ведущую роль в этом глобальном научном начинании.
Уже эта инвестиция дает плоды, с такими обнаружениями, как KM3-230213A и еще более высокими открытиями, ожидаемыми по мере расширения телескопа.
«Мы не знаем их массы, мы не знаем их порядка массы, мы не знаем, являются ли они своими собственными анти-частицами,» отмечает Койл. «Поэтому нейтрино сейчас в центре внимания.»
С тысячами дополнительны датчиков, которые еще предстоит разместить, KM3NeT не только укрепляет роль Европы в фундаментальных исследованиях, но и «слушает» одни из самых слабых сигналов в природе.
Каждый всплеск света глубоко под Средиземным морем может содержать послание о начале вселенной или даже подсказку о том, почему существует что-то, а не ничего.
В нашем Telegram‑канале, и группе ВК вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
