Neutríno s ultravysokou energiou zachytili detektory observatória vyše 2 000 metrov pod hladinou Stredozemného mora.
Záverečné práce na detektoroch podmorského observatória KM3NeT. Kredit: Marco Kraan/Nikhef
Prístroje observatória KM3NeT umiestneného hlboko pod hladinou Stredozemného mora zachytili neutríno s ultravysokou energiou, vyššou ako 100 PeV, ktorá mnohonásobne prekonala doterajší rekord. Hoci výskumníci nedokázali presne určiť, odkiaľ táto častica priletela, jej detekcia vzbudzuje nádej, že čoskoro bude možné zachytiť ďalšie.
Vedci veria, že by to mohlo pomôcť pri odhaľovaní najdivokejších udalostí vo vesmíre a možno aj naznačiť cestu k odhaleniu novej fyziky. O objave informoval medzinárodný vedecký tím observatória KM3NeT v časopise Nature.
„Tieto neutrína zrejme pochádzajú z vysokovýkonných astrofyzikálnych kozmických urýchľovačov, ktoré sme zatiaľ na oblohe nikdy presne neidentifikovali. Táto udalosť môže poskytnúť príležitosť na ich identifikáciu,“ vysvetlil Paul de Jong, profesor na Amsterdamskej univerzite a hovorca KM3NeT. „Keďže vlastnosti samotných neutrín zatiaľ nie sú preštudované tak dobre ako vlastnosti iných častíc, ďalšie štúdium neutrín môže otvoriť možnosti detekcie novej fyziky nad rámec štandardného modelu.“
Neutrína
Neutrína sú subatomárne častice s hmotnosťou nižšou ako milióntina hmotnosti elektrónov. Sú elektricky neutrálne a iba veľmi zriedkavo interagujú s hmotou prostredníctvom slabej jadrovej sily. Výsledkom je, že tieto častice môžu cestovať na obrovské kozmické vzdialenosti bez toho, aby boli vychýlené magnetickými poľami alebo absorbované medzihviezdnym materiálom, čo z nich robí veľmi dobré sondy na štúdium energetických procesov odohrávajúcich sa ďaleko vo vesmíre.
Od astrofyzikálnych objektov, z ktorých tieto neutrína pochádzajú a ktoré obsahujú aktívne galaktické jadrá poháňané supermasívnymi čiernymi dierami, sa totiž očakáva, že okrem neutrín budú produkovať aj vysokoenergetické kozmické žiarenie a gama žiarenie (druh rádioaktívneho žiarenia vznikajúce pri jadrových dejoch vo vesmíre). Kozmické lúče, ktoré tieto extrémne objekty vysielajú, sú pri ceste na Zem vychýlené magnetickými poľami; gama žiarenie môžu tieto polia pohltiť.
Neutrína sa však pohybujú v priamych líniách a magnetické polia ich nevedia zachytiť. To z nich robí jedinečných poslov, ktorí by mohli prezradiť miesto pobytu astrofyzikálnych urýchľovačov, z ktorých vzišli.
Detekcia pod vodou
Neutrína však prezradia svoju prítomnosť iba zriedkavo, preto treba na ich štúdium použiť veľkoobjemové prírodné detektory. Najväčšie observatóriá využívajú hlbokú vodu alebo ľad, lebo tieto materiály dokážu citlivé detektory neutrín uchrániť pred pozemským hlukom, dokonca aj pred kozmickými lúčmi. Preto sa observatórium KM3NeT nachádza na dne Stredozemného mora s detektormi vyše 2 000 metrov pod jeho hladinou.
V zriedkavých prípadoch sa vysokoenergetické neutríno zrazí s molekulou vody a vytvorí sekundárne nabitú časticu. Táto častica sa vo vode pohybuje rýchlejšie ako svetlo, pričom vzniká slabý záblesk Čerenkovovho žiarenia. Sústava optických senzorov detektora tieto záblesky zachytáva a to umožňuje výskumníkom rekonštruovať smer a energiu neutrína.
KM3NeT už dokázalo zachytiť množstvo vysokoenergetických neutrín. V roku 2023 jeho prístroje identifikovali neutríno s energiou výrazne presahujúcou energiu akéhokoľvek predtým detegovaného kozmického neutrína. Nasledujúca analýza tímu Paula de Jong ukázala, že energia novoobjaveného neutrína je až 30-násobne vyššia v porovnaní s predchádzajúcim držiteľom rekordu, ktorý zaznamenalo observatóriom IceCube na južnom póle.
Nie je vylúčené, že takéto neutríno by mohlo pochádzať z najvýkonnejších kozmických urýchľovačov, ako sú blazary. Neutríno môže byť tiež kozmogénne: tento druh vzniká pri interakcii kozmického žiarenia s ultravysokou energiou so žiarením kozmického mikrovlnného pozadia.
Nová trieda astrofyzikálnych poslov
Aj keď toto konkrétne neutríno vedci nedokázali vystopovať naspäť ku konkrétnemu zdroju, vzhľadom na svoju obrovskú energiu otvára možnosť študovať ultravysokoenergetické neutrína ako novú triedu astrofyzikálnych poslov. „Bez ohľadu na to, čo je jeho zdrojom, naša udalosť je veľkolepá. Hovorí nám, že buď existujú kozmické urýchľovače, ktoré vedú k týmto extrémnym energiám, alebo by mohlo ísť aj o prvé detegované kozmogénne neutríno,“ poznamenal Paul de Jong.
Odborníci študujúci neutrína, ktorí nie sú spojení s KM3NeT, sa zhodujú na veľkom význame pozorovania. Elisa Resconiová z Technickej univerzity v Mníchove pre Physics World povedala: „Tento objav potvrdzuje, že kozmické neutrína môžu dosiahnuť bezprecedentnú energiu, a to naznačuje, že niekde vo vesmíre by ich mohli produkovať extrémne astrofyzikálne procesy, prípadne dokonca také exotické javy, akým je rozkladajúca sa tmavá hmota.“
To by mohla byť veľmi zaujímavá možnosť. Tmavá hmota, ktorá je spolu s tmavou energiou najväčšou astrofyzikálnou záhadou vesmíru, totiž podľa posledných meraní tvorí asi 23 percent celkovej hmoty vesmíru, zatiaľ čo viditeľná (baryónová) hmota by mala tvoriť necelých 5 percent. Zvyšok pripadá na tmavú energiu.
Francis Halzen, riaditeľ Inštitútu časticovej fyziky Wisconsinskej univerzity v Madisone (University of Wisconsin-Madison) a hlavný výskumník IceCube, dodal: „Pozorovanie neutrín s miliónkrát väčšou energiou ako tie, ktoré vznikli vo Fermilabe, a s desať miliónov ráz vyššou, pokiaľ ide o udalosť zachytenou KM3NeT, je skvelá príležitosť odhaliť fyziku za hranicami štandardného modelu spojenú s hmotnosťou neutrín.“
Vzácne a vysoko informatívne častice
Prebiehajúce práce na ďalšom zdokonalení prístrojov KM3NeT a ďalších observatórií neutrín ponúknu možnosť zachytiť viac týchto vzácnych, vysoko informatívnych častíc. Šanca, že sa vďaka tomu veda priblíži k odpovediam na základné otázky astrofyziky, sa teda zvýši.
„Spolu s globálnou sieťou neutrínových ďalekohľadov dokážeme zachytiť viac ultravysokoenergetických neutrín, s ich pomocou mapovať oblohu a nachádzať ich zdroje. Len čo to urobíme, budeme schopní použiť informácie od týchto kozmických poslov na skúmanie základnej fyziky v energetických režimoch ďaleko za hranicami toho, čo umožňujú pozemské laboratóriá.“
Časticu predpovedal fyzik Wolfgang Pauli
Až do takýchto neuveriteľných rozmerov dnes pokročilo štúdium neutrín. Pritom rakúsky fyzik Wolfgang Pauli, ktorý v roku 1931 túto zvláštnu časticu teoreticky predpovedal (a v roku 1932 jej názov opravil Enrico Fermi z pôvodného neutrón na neutríno), vyhlásil: „Urobil som strašnú vec. Postuloval som časticu, ktorá sa nedá detegovať.“ Pauli sa dokonca stavil o debničku drahého šampanského, že jeho nepolapiteľnú časticu nikto nikdy neobjaví.
Rakúsky fyzik Wolfgang Pauli dostal v roku 1945 Nobelovu cenu za objav Pauliho vylučovacieho princípu. Zdroj: Wikimedia Commons
V roku 1956, dva roky pred svojou smrťou, však stávku prehral. Pauli bol jedným z najvýznamnejších teoretických fyzikov 20. storočia (v roku 1945 získal Nobelovu cenu za Pauliho vylučovací princíp v kvantovej mechanike) a do histórie za zapísal aj tým, že ako jeden z mála vtedajších významných fyzikov odmietol účasť na projekte Manhattan pri konštrukcii americkej jadrovej bomby.
Zdroj: Nature, physicsworld.com
(zh)
