Na to, aby vedci určili, odkiaľ pochádza dosiaľ najenergetickejšie neutríno, potrebujú zaznamenať ďalšie pozorovania.
Vizualizácia pozorovania neutrína s ultravysokovu energiou pomocou detektora ARCA. Rôzne farby predstavujú rôzne časy pozorovania. Takmer horizontálnu dráhu častice zobrazuje čiara sprava doľava. Zdroj: KM3NeT
Stredozemné more nie je iba zdrojom oddychu. Pre vedcov, ktorí sa venujú neutrínovej astronómii, reprezentuje významné laboratórium. V najhlbších miestach pod morskou hladinou sa rozprestierajú stovky detektorov. Na zvislých lanách sú ako korále na náhrdelníku zavesené optické moduly v tvare gule. Hlavným cieľom celej pozorovacej štruktúry je zaznamenať neutrína.
Hoci je neutrínové observatórium KM3NeT stále vo výstavbe, podaril sa mu fenomenálny úspech. Pred dvomi rokmi pozoroval detektor s označením ARCA neutríno s dosiaľ najvyššou zaznamenanou energiou.
V polovici februára 2025 vydal časopis Nature článok, v ktorom medzinárodný vedecký tím kolaborácie KM3NeT podrobne informuje o pozorovaní. Súčasťou tímu je aj skupina slovenských vedcov pod vedením fyzika Fedora Šimkovica.
V druhej časti z trojdielnej série rozhovorov o neutrínach sa dozviete, ako vyzerajú neutrínové teleskopy, prečo od objavu až po vydanie článku ubehli dva roky a akú úlohu zohral pri zachytení najenergetickejšieho neutrína slovenský tím vedcov.
Pozorovanie nepolapiteľných častíc
Pozemné aj vesmírne teleskopy, napríklad teleskop Jamesa Webba alebo Hubblov vesmírny ďalekohľad, verejnosť pozná. Ako vyzerajú teleskopy na detekciu neutrín?
Neutrínové teleskopy pozostávajú z trojrozmerného poľa tisícok svetelných senzorov, takzvaných optických modulov, umiestnených vo svetelne priehľadných prostrediach, ako je voda alebo ľad. Optické moduly registrujú modré až fialové svetlo, takzvané Čerenkovovo žiarenie, t. j. fotóny, ktoré sú vyžarované nabitými časticami pohybujúcimi sa rýchlosťou väčšou, ako je rýchlosť svetla v danom prostredí.
Neutrínové teleskopy sú navrhnuté tak, aby rekonštruovali rôzne charakteristiky neutrínových udalostí vrátane ich typu, energie a smeru, a to pomocou analýzy polôh optických modulov, času nimi detegovaných jednotlivých fotónov a nábojov pulzov z fotonásobičov. Väčší objem detektora znamená možnosť zaregistrovať viac vysokoenergetických neutrín.
Optický modul. Zdroj: KM3NeT
Zanechajú všetky neutrína prechodom cez detektory rovnaké „stopy“?
V neutrínových teleskopoch rozlišujeme dva typy registrovaných neutrínových udalostí, takzvané treky a kaskády.
Pri interakcii miónových neutrín prostredníctvom nabitých slabých prúdov vznikajú mióny, ktoré vytvárajú v detektore signatúru trekov.
Kaskády sú vytvárané pri interakcii elektrónových a tau neutrín pomocou slabých nabitých prúdov alebo interakciami neutrín všetkých aróm prostredníctvom slabých neutrálnych prúdov.
Pri interakcii vysokoenergetického miónového neutrína vzniká dlho žijúci mión, ktorý môže prejsť až niekoľko kilometrov, kým bude absorbovaný prostredím. Dôsledkom sú rôzne dráhové topológie svetelných impulzov zaregistrovaných v detektore.
Kozmické žiarenie, interagujúce v zemskej atmosfére, produkuje atmosférické mióny a neutrína, ktoré tvoria experimentálne pozadie detekcie kozmických neutrín.
Pripomína mi to pohľad na stopy zvierat v snehu. Dozvedáme sa z každej neutrínovej udalosti odlišné informácie?
Kaskády umožňujú presné merania energie neutrín, ale rekonštrukcia smeru príletu neutrín do detektora pomocou nich je menej presná. Naopak, registrácia miónových dráh, čiže trekov, umožňuje lepšie uhlové rozlíšenie, a to až na úrovni jedného stupňa, ale merané energie sú menej presné.
Z dôvodu rôzneho uhlového rozlíšenia sa kaskády javia byť vhodnejšie na meranie difúzneho prúdu neutrín z vesmíru, kým miónové trajektórie sa využívajú na hľadanie bodových zdrojov neutrín na oblohe.
V podzemí, pod vodou aj v ľade
Aké neutrínové observatóriá poznáme?
V súčasnosti sú v prevádzke tri veľké neutrínové teleskopy: IceCube v Antarktíde, Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector) v jazere Bajkal, KM3NeT (Cubic Kilometer Neutrino Telescope) v Stredozemnom mori a jeden menší P-ONE (Pacific Ocean Neutrino Explorer) pri brehu Kanady.
Detekčné objemy prvých troch menovaných neutrínových teleskopov sú 1; 0,6 a 0,2 kilometra kubického a postupne sa ďalej zväčšujú.
Ako pomáhajú vedeckému skúmaniu neutrínové teleskopy?
Predmetom vedeckého výskumu je spätne identifikovať možné astrofyzikálne zdroje vo vesmíre, ktoré produkujú kozmické žiarenie s energiami ďaleko presahujúcimi energiu častíc urýchlených na zariadeniach vybudovaných na Zemi (Large Hadron Collider (LHC) v CERN-e).
Vysokoenergetické neutrína môžu byť produkované, keď ultrarelativistické protóny alebo atómové jadrá, ktoré sú súčasťou kozmického žiarenia, interagujú s inou hmotou alebo fotónmi a ich pozorovanie by mohlo byť prejavom takýchto procesov.
Kozmické neutrína môžu byť produkované buď v blízkosti zdroja kozmického žiarenia, alebo pozdĺž dráhy šírenia kozmického žiarenia, čo vedie k produkcii sekundárnych nestabilných častíc, ktoré sa následne rozpadajú na neutrína.
Neutrína sú elektricky neutrálne a interagujúce iba prostredníctvom slabej a gravitačnej interakcie a ako dôsledok nie sú vychyľované magnetickými poľami a sú zriedkavo absorbované medzihviezdnou hmotou. Registrácia ich smeru príletu ich umožňuje identifikovať s procesmi a objektmi v hĺbkach vesmíru.
Ilustrácia šírenia kozmického žiarenia a neutrín z aktívnych galaktických jadier na Zem. Trajektórie protónov sú značne ovplyvnené silnými magnetickými poľami a gama žiarenie je rozptýlené a absorbované medzihviezdnou hmotou. Neutrína, ktoré interagujú len slabo a gravitačne, sa nevychyľujú a minimálne absorbujú, čo ich umožňuje identifikovať s procesmi a objektmi v hĺbkach vesmíru. Zdroj: Juan Antonio Aguilar and Jamie Yang. IceCube/WIPAC.
Detekcia kozmických neutrín s energiami nad teraelektrónvolt (TeV) ponúka výskum astrofyzikálnych javov, zahŕňajúci štúdium centra našej Galaxie, aktívnych galaktických jadier, zvyškov supernov a podobne. Pozorovanie ultravysokoenergetických kozmických neutrín môže pomôcť odhaliť pôvod ešte energetickejšieho kozmického žiarenia vo vesmíre. Neutrínové teleskopy prezentujú prvotnú mapu zdrojov vysokoenergetických neutrín, ktorá je unikátna a naznačuje potrebu rozšíreného výskumu v oblasti neutrínovej astronómie.
Neutrínové teleskopy využíva nielen neutrínová astronómia, ale ich využívajú aj environmentálne vedy. Pridaná hodnota je monitorovanie veľkého objemu vody v reálnom čase. Rozširuje to naše poznatky o niektorých fyzikálnych procesoch v oceáne a ich vplyvoch na rozloženie suspendovaných geologických, chemických a biologických materiálov. Nové možnosti ponúka využitie údajov z optických senzorov v korelácii s údajmi z konvenčných oceánografických prístrojov. Je tu aj potenciál využitia neutrínových teleskopov na včasné regionálne varovanie pred cunami, a to v lepšej miere ako pomocou dátových bójí, ktoré sa v súčasnosti rozmiestňujú.
Míľnik neutrínovej astronómie
Neutrínový teleskop v Stredozemnom mori sa pred dvomi rokmi stal svedkom dosiaľ nevídanej udalosti. Skôr, než sa k nej dostaneme, nám, prosím, ozrejmite, ako vyzerá samotné zariadenie.
KM3NeT neutrínový teleskop je unikátna vedecká infraštruktúra. Pozostáva z detektorov ORCA a ARCA, dvoch neutrínových detektorov, umiestnených v najhlbších častiach Stredozemného mora.
Detektor ORCA sa nachádza v hĺbke 2437 metrov a vo vzdialenosti 40 kilometrov južne od pobrežia pri meste Toulon. Je nástrojom na štúdium oscilácie neutrín aj celkovo na štúdium vlastností a interakcií neutrín, novej fyziky za štandardným modelom fyziky častíc a tmavej hmoty vesmíru.
Detektor ARCA sa nachádza v hĺbke 3450 metrov a vo vzdialenosti 80 kilometrov od mesta Capo Passero na Sicílii. Topológia detektora ARCA je optimalizovaná na štúdium vysokoenergetických kozmických neutrín. Pomocou teleskopu ARCA vedci z KM3NeT kolaborácie registrujú neutrína zo vzdialených astrofyzikálnych zdrojov, ako sú aktívne galaktické jadrá, kam spadajú aj kvazary a blazary, supernovy, vysokoenergetické záblesky gama žiarenia alebo kolidujúce hviezdy v našej Galaxii, ako aj v priestore mimo nej.
Zložená detekčná jednotka pre detektor ORCA. Zdroj: KM3NeT
Uvedené detektory sú súčasne v prevádzke a vo výstavbe, t. j. v procese ďalšieho rozširovania. Po dokončení budú obsahovať 345 (230 pre ARCA a 115 pre ORCA) vertikálnych detekčných stringov, čiže liniek alebo reťazcov, z ktorých každá obsahuje 18 optických modulov.
V prípade detektora ARCA sú reťazce 700 metrov vysoké a vzdialené od seba 100 metrov, zatiaľ čo v detektore ORCA sú reťazce 200 metrov vysoké s 20-metrovými rozostupmi.
Každý modul obsahuje 31 trojpalcových fotonásobičov. Oba detektory dokážu identifikovať všetky arómy neutrínových interakcií: tie, ktoré produkujú mióny s dlhou životnosťou vytvárajúce svetelné stopy v detektore (treky), a tie, ktoré produkujú elektromagnetické a hadrónové kaskády v mieste interakcie neutrín.
Uvedené zariadenia obsahujú aj prístrojové vybavenie pre vedu o Zemi a mori, ako aj na dlhodobé a online monitorovanie prostredia morského dna v hĺbke niekoľkých kilometrov. Po dokončení budú mať detektory ARCA a ORCA objemy v rozsahu niekoľkých kubických kilometrov čistej morskej vody. Projekt bude stáť odhadom 350 miliónov eur.
Spolupracujú detektory ARCA a ORCA aj vzájomne alebo ide o nezávislé oddelené štruktúry s presne definovanými úlohami?
Cieľom je dať ich výsledky do súvislostí s kozmickými javmi, ktoré doposiaľ nepoznáme. Napríklad objasniť, čo sa stane pri zrážkach čiernych dier, neutrónových hviezd alebo celých galaxií alebo objasniť pôvod už registrovaného kozmického žiarenia veľmi veľkých energií – viac ako miliónkrát väčších, aké sa dosahujú na urýchľovači LHC v CERN-e. Podľa fyzikálnych zákonov by kozmické žiarenie s takouto energiou ani nemalo byť na Zemi pozorované. Energia protónov putujúcich k nám z iných galaxií v dôsledku interakcie s kozmickým mikrovlnným pozadím nemôže byť väčšia ako 50 EeV = 1019 eV alebo ako takzvaný Greisen-Zatsepin-Kuzmin limit.
Prvé svojho druhu
Začiatkom februára 2023 zaznamenal detektor ARCA dovtedy nezvyčajnú udalosť. Čo presne sa stalo?
Dňa 13. februára 2023 o 1 hodine 16. minúte a 47. sekunde UTC (koordinovaný svetový čas) KM3NeT detektor ARCA zaregistroval mimoriadne vysokoenergetický mión šíriaci sa jeho prostredím. Táto udalosť v detektore má označenie KM3-230213A. V prevádzke bolo vtedy 21 detekčných stringov. V tejto konfigurácii bol detektor od 23. septembra 2022 do 11. septembra 2023, keď bolo inštalovaných ďalších sedem detekčných stringov. Po eliminácii fáz uvádzania detektora do prevádzky a obdobia jeho kalibrácie, registrácia udalostí s touto konfiguráciou detektora zodpovedala časovému intervalu 287,4 dňa.
Počas uvedeného obdobia bolo v detektore zaregistrovaných asi 110 miliónov udalostí, z ktorých KM3-230213A udalosti zodpovedala mimoriadne veľká deponovaná energia. Pri registrácii tejto udalosti zaznamenali optické moduly umiestnené na 21 stringoch 28 086 fotónov, pričom tie pochádzali z Čerenkovovho žiarenia od letiaceho miónu v detektore. Vedci, monitorujúci údaje z detektora, si všimli registráciu tejto unikátnej udalosti až začiatkom roku 2024, keď dokončili prvú analýzu dát za uvedené obdobie.
Ilustrácia konštrukcie KM3NeT neutrínového teleskopu v hĺbkach Stredozemného mora pozostávajúca zo siete optických modulov. Tie registrujú svetlo majúce pôvod v propagácii sekundárnych častíc, ktoré vznikajú z interakcií neutrín v detektore alebo v jeho blízkosti. Zdroj: KM3NeT kolaborácia.
Išlo o sprievodný jav, ktorý neutríno vyvolá pri interakcii. Ako sa teda vedci dopracovali k jeho energii?
Na základe nezvyčajného množstva svetla, ktoré vyprodukoval daný mión, bolo odhadnuté, že mal energiu 120 petaelektrónvoltov (PeV). Dážď miónov neustále dopadá na zemský povrch, keďže mióny vznikajú pri interakcii kozmického žiarenia (protóny, ionizované atómy) s molekulami zemskej atmosféry. Ale občas kozmické neutríno, ktoré narazí na povrch planéty, tiež vytvorí mión. Detegovaný vysokoenergetický mión vzhľadom na svoju obrovskú energiu a takmer horizontálny smer šírenia s najväčšou pravdepodobnosťou vznikol v blízkosti detektora interakciou kozmického neutrína s ešte vyššou energiou so zemskou kôrou.
Už viac ako desať rokov neutrínové teleskopy zaznamenávajú neutrína, ktoré majú bezprecedentné energie až niekoľko biliárd elektrónvoltov (1 PeV = 1015 eV). Predpokladá sa, že majú pôvod vo vzdialených galaxiách. Dosiaľ boli najenergetickejšie neutrína pozorované neutrínovým teleskopom IceCube.
V prípade KM3-230213A udalosti vedci na základe počítačových simulácií, vychádzajúc z energie registrovaného miónu (120 PeV), určili jeho energiu – 220 PeV. Daná energia podstatne prevyšuje energiu akéhokoľvek doteraz registrovaného neutrína.
Čo môže byť zdrojom?
Naznačuje to, že uvedené neutríno je produktom iného kozmického urýchľovača ako už registrované neutrína s nižšou energiou. Preskúmaním možných galaktických a extragalaktických zdrojov sa nepodarilo určiť jeho pôvod. Na to by bola potrebná väčšia početnosť registrovaných neutrín s porovnateľnou energiou z približne rovnakého smeru.
Druhá možnosť je, že to môže byť prvá detekcia kozmogénneho neutrína, ktorá je výsledkom interakcií kozmického žiarenia s ultravysokou energiou s reliktnými fotónmi. Tie sú pozostatkom obdobia krátko po veľkom tresku, t. j. vzniku vesmíru. V jednom kubickom centimetri je približne 300 takýchto fotónov. Vzhľadom na zemský povrch bola trajektória neutrína blízka horizontále a smerovala od Malty na východ do Grécka. Stojí za poznamenanie, že neutríno s danou energiou by neprešlo naprieč Zemou a bolo by absorbované, keďže pravdepodobnosť jeho interakcie je úmerná kvadrátu jeho energie.
Obrázok znázorňuje rozloženie detekčných jednotiek pod vodnou hladinou. Jednotlivé moduly sú zavesené na lanách a tvoria takzvané stringy. Zdroj: wikipedia
Od objavu k oslave
Medzi samotnou udalosťou, objavom a zverejnením prešli pomerne dlhé časové úseky. Malo to svoj dôvod?
KM3NeT kolaborácia informovala vedeckú komunitu o tejto rekordnej udalosti na 31. edícii konferencie NEUTRINO v talianskom Miláne v júni 2024. Ale nezverejnila podrobnosti, akými sú čas registrácie, smer a energia neutrína. Tie boli uvedené v publikácii, zaslanej do renomovaného časopisu Nature v septembri 2024. Samotná publikácia bola za prísne konfidenciálnych okolností zverejnená približne o pol roka neskôr, t. j. v prípade daného časopisu pomerne rýchlo, a to dňa 12. februára 2025. Súvisiace analýzy tejto unikátnej udalosti sú súčasťou ďalších štyroch publikácií, ktoré boli zaslané do významných medzinárodných časopisov zaoberajúcich sa problémami astrofyziky a fyziky častíc.
Slovenská stopa pri detekcii
V prípade KM3NeT ide o medzinárodnú spoluprácu viacerých krajín vrátane Slovenska. Aké je zastúpenie našich vedcov v tomto projekte?
KM3NeT je medzinárodná vedecká kolaborácia, ktorá zahŕňa viac ako 350 vedcov zo 68 vedeckých inštitútov z 21 krajín po celom svete. Ide napríklad o Austráliu, Belgicko, Cyprus, Francúzsko, Grécko, Gruzínsko, Holandsko, Maroko, Nemecko, Španielsko, Taliansko, Veľkú Britániu, ale aj Českú republiku, Poľsko, Slovensko a Rumunsko. V prípade našej krajiny ide o pracovníkov z Univerzity Komenského v Bratislave, ktorí majú plné členstvo, a Ústav experimentálnej fyziky SAV v Košiciach, kde ide o asociované členstvo.
Ilustrácia trajektórie najenergetickejšieho pozorovaného neutrína s energiou 220 PeV, ktorý bol zaznamenaný neutrínovým teleskopom KM3NeT ARCA, umiestneným na dne Stredozemného mora v hĺbke 3500 m pri pobreží Sicílie. Neutríno interagovalo v hornine a vznikol mión, ktorý preletel prostredím detektora a vyžiaril obrovské množstvo svetla vo forme Čerenkovovho žiarenia, čo bolo zaznamenané optickými modulmi detektora. Zdroj: KM3NeT kolaborácia.
Cieľom je pritiahnuť hlavne vedecký potenciál z Európskej únie. Vedecký tím pod mojím vedením na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského (FMFI UK) v Bratislave, ktorý združuje vedcov (v tom čase to boli dvaja vedeckí pracovníci, menovite prof. RNDr. Fedor Šimkovic, CSc., a Mgr. Rastislav Dvornický, PhD., dve končiace doktorandky Mgr. Zuzana Bardačová a Mgr. Eliška Eckerová a ďalší študenti – pozn. redakcie), získal expertízu v oblasti detekcie vysokoenergetických neutrín počas budovania a prevádzky neutrínového teleskopu v jazere Bajkal. V danom čase išlo o druhý najväčší neutrínový teleskop na Zemi a najväčší na severnej pologuli.
V septembri 2022 sa na základe pozvania vedenia KM3NeT kolaborácie zúčastnili členovia vedeckého tímu z FMFI UK v Bratislave na stretnutí s vedením KM3NeT kolaborácie na univerzite v Marseille. Na základe našich expertíz v oblasti neutrínovej fyziky a zvlášť neutrínových teleskopov bolo ponúknuté členstvo v KM3NeT kolaborácii. V októbri 2022 bolo na výročnom pracovnom stretnutí KM3NeT kolaborácie odsúhlasené členstvo FMFI UK v tomto európskom vedeckom združení.
Začiatkom decembra 2023 podpísal minister školstva Tomáš Drucker KM3NeT Memorandum o porozumení, v ktorom sú uvedené záväzky členov, záväzky ich výskumných ústavov a vedeckých tímov budovať a prevádzkovať neutrínový teleskop. Uvedeným aktom sa stala vedecká skupina z FMFI UK v Bratislave plnohodnotným členom KM3NeT kolaborácie.
Aké sú úlohy slovenského tímu v rámci tohto projektu?
Za krátke obdobie členstva v KM3NeT kolaborácii sa náš vedecký tím zaoberal úlohami kalibrácie neutrínového detektora, ktoré sú mimoriadne dôležité pre správne spracovanie a interpretáciu dát. V danej súvislosti je podstatné komplexné a presné určenie charakteristík digitálnych optických modulov (DOM), základných operačných jednotiek tohto unikátneho zariadenia. Rádioaktívne rozpady draslíka-40, uránu-238 a tória-232 a ich dcérskych produktov vytvárajú signály pozadia v DOM.
Členovia vedeckého tímu z FMFI UK v Bratislave, ktorý je súčasťou KM3NeT kolaborácie, na návšteve univerzity v Marseille v septembri 2022. Sprava Rastislav Dvornický, Zuzana Bardačová, Fedor Šimkovic, Eliška Eckerová a Rastislav Hodák z ÚTEF ČVÚT v Prahe (bývalý doktorand Fedora Šimkovica). Zdroj: archív F. Šimkovica.
Tieto signály boli predmetom merania a analýz v prostredí takmer bez prítomnosti atmosférických miónov v podzemnom laboratóriu v Modane. Získané výsledky týchto meraní boli následne porovnané so simuláciami týchto procesov, využijúc dostupné údaje určujúce konštrukciu tohto zariadenia. Rozbiehajú sa nové spolupráce v rámci KM3NeT kolaborácie, ktoré sa týkajú spracovania dát, možnej detekcie tau neutrín, ako aj ťažkých neutrálnych fermiónov, t. j. v oblasti, kde máme požadovanú expertízu. Využijúc nami vyvinuté teoretické modely, napríklad zmiešavania majoranovských neutrín a oscilácie neutrín, rozširujeme vedecký program KM3NeT aj na štúdium kvázidirakovských neutrín a neštandardných neutrínových interakcií.
Aký vplyv má spomenutý objav na ďalšie smerovanie neutrínovej astronómie?
Táto vôbec prvá detekcia neutrína s energiou rádovo stoviek PeV otvára novú kapitolu v neutrínovej astronómii a nové atrofyzikálne okno do vesmíru. Je to prelomová udalosť a prvý dôkaz existencie neutrín s takouto energiou, ktorých prítomnosť vo vesmíre sa predpokladá na základe detekcie kozmického žiarenia s energiami rádovo stoviek EeV. Ich pôvodom môžu byť kozmické urýchľovače typu aktívnych galaktických jadier, čierne diery rôznych typov v strede galaxií.
V roku 2018 neutrínový teleskop IceCube po prvýkrát vystopoval vysokoenergetické kozmické neutríno s energiou 290 teraelektrónvoltov (TeV) späť k jeho zdroju. Išlo o blazar TXS 0506+056, ktorý emituje aj vysokoenergetické gama žiarenie.
Pôvod najenergetickejšieho pozorovaného neutrína KM3-230213A nebolo možné doposiaľ určiť. Umožní to len väčšia štatistika registrovaných, rovnako energetických neutrínových udalostí a to vyžaduje ďalšie budovanie neutrínových teleskopov.
Astrofyzikálne sú zaujímavé nielen procesy produkcie takýchto neutrín, ale napríklad aj skutočnosť, že vysokoenergetické neutrína extragalaktického pôvodu umožnia tomografiu našej Galaxie a tým selekciu súčasných modelov určujúcich v nej rozdelenie hmoty.
(RR)
