Έρευνα με τη συμμετοχή του «Δημόκριτου» ανιχνεύει στη Μεσόγειο νετρίνο με τη μεγαλύτερη ενέργεια που έχει παρατηρηθεί ποτέ.
Κοσμικό νετρίνο με ενέργεια 30 φορές υψηλότερη σε σχέση με οποιοδήποτε άλλο νετρίνο που έχει εντοπιστεί ποτέ, ανίχνευσε η διεθνής επιστημονική ομάδα KM3NeT, με τη συμμετοχή του Ινστιτούτου Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής (ΙΠΣΦ) του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος».
Το εύρημα, που δημοσιεύεται στο περιοδικό Nature, παρέχει την πρώτη απόδειξη ότι νετρίνα τόσο υψηλών ενεργειών παράγονται στο Σύμπαν και μας δίνει πληροφορίες για τα βίαια γεγονότα που συμβαίνουν έξω από τον Γαλαξία μας.
Μπορεί όταν σκεφτόμαστε το Σύμπαν να έρχονται στο μυαλό μας εικόνες από αστέρια, γαλαξίες και αχανείς περιοχές σκοταδιού, ωστόσο τα νετρίνα είναι αόρατοι αγγελιοφόροι που κρύβονται μέσα σε αυτήν την κοσμική απεραντοσύνη.
Πρόκειται για μικροσκοπικά υποατομικά σωματίδια, με εξαιρετικά μικρή μάζα και χωρίς ηλεκτρικό φορτίο που μπορούν να ταξιδέψουν ανεμπόδιστα από τα πιο απομακρυσμένα σημεία του σύμπαντος.
Παρόλο που είναι το δεύτερο μεγαλύτερο σε αφθονία σωματίδιο στο Σύμπαν μετά από τα φωτόνια (το φως), τα σωματίδια αυτά αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη με αποτέλεσμα κάθε δευτερόλεπτο δισεκατομμύρια από αυτά να περνούν από μέσα μας χωρίς να αφήνουν ίχνη.
Παράγονται σε ένα τεράστιο εύρος ενεργειών και σε πολλές διαφορετικές διεργασίες, από μεγάλη ποσότητα νετρίνων χαμηλής ενέργειας που παράγονται σε διεργασίες πυρηνικής σύντηξης στον Ήλιο μας, ως και μικρή ποσότητα νετρίνων υψηλής ενέργειας που προέρχονται από συγκρούσεις σωματιδίων σε κατακλυσμικά κοσμικά γεγονότα, όπως η έκρηξη άστρων ή η δραστηριότητα μαύρης τρύπας.
Η διαδρομή τους παραμένει αδιατάρακτη και αυτό τους επιτρέπει να ενεργούν ως κοσμικοί αγγελιοφόροι, μεταφέροντας πληροφορίες απευθείας από την αστροφυσική τους πηγή στους ανιχνευτές στη Γη.
«Τα νετρίνα μάς δίνουν τελικά εικόνες του Σύμπαντος που δεν τις ξέραμε. Μας δίνουν πληροφορίες για τη θέση των πηγών από τις οποίες προέρχονται, για την ενέργεια την οποία μεταφέρουν, για τις διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στις πηγές τους. Οπότε κατανοούμε καλύτερα το τι συμβαίνει στα βίαια αστροφυσικά φαινόμενα στο Σύμπαν», εξηγεί στο ΑΠΕ-ΜΠΕ η διευθύντρια ερευνών του Ινστιτούτου Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής του Δημόκριτου, Αικατερίνη Τζαμαριουδάκη, η οποία συμμετείχε στη μελέτη.
Η ανίχνευση νετρίνων απαιτεί πολύ μεγάλα παρατηρητήρια που βρίσκονται βαθιά κάτω από το νερό ή στον πάγο. Αυτά τα παρατηρητήρια αναζητούν αμυδρές λάμψεις φωτός Cherenkov – μια φωτεινή λάμψη που δημιουργείται όταν φορτισμένα σωματίδια που παράγονται από τις αλληλεπιδράσεις των νετρίνων κινούνται ταχύτερα από το φως στο νερό.
Ένα τέτοιο παρατηρητήριο είναι το τηλεσκόπιο KM3NeT που βρίσκεται βαθιά στη Μεσόγειο και είναι σχεδιασμένο για να καταγράψει γεγονότα νετρίνων υψηλής ενέργειας μέσω αυτών των λάμψεων φωτός.
Τον Φεβρουάριο του 2023 η διεθνής επιστημονική κοινοπραξία KM3NeT, που συγκεντρώνει περισσότερους από 360 επιστήμονες 68 ιδρυμάτων από 22 χώρες σε όλο τον κόσμο κατέγραψε με το τηλεσκόπιο αυτό ένα μοναδικό γεγονός νετρίνο που ονομάστηκε KM3-230213A. Ήταν μοναδικό γιατί έχει εκτιμώμενη ενέργεια περίπου 220 PeV, δηλαδή 220 εκατομμύρια δισεκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ.
Η ενέργειά του είναι 30 φορές μεγαλύτερη από την ενέργεια του πιο υψηλοενεργειακού νετρίνου που έχει ανιχνευθεί ποτέ μέχρι σήμερα.
«Αυτή η πρώτη ανίχνευση ενός νετρίνου εκατοντάδων PeV ανοίγει ένα νέο κεφάλαιο στην αστρονομία των νετρίνων και ένα νέο παράθυρο παρατήρησης στο Σύμπαν», σχολιάζει o Πασκάλ Κόιλ (Paschal Coyle), επικεφαλής του KM3NeT κατά την περίοδο της ανίχνευσης και ερευνητής στο Εθνικό Κέντρο Επιστημονικής Έρευνας, Κέντρο Σωματιδιακής Φυσικής της Μασσαλίας IN2P3/CNRS, στη Γαλλία.
Το ανιχνευμένο γεγονός αναγνωρίστηκε ως ένα μόνο μιόνιο που διέσχισε ολόκληρο τον ανιχνευτή προκαλώντας σήματα σε περισσότερο από το ένα τρίτο των ενεργών αισθητήρων. Η κλίση της τροχιάς του σε συνδυασμό με την τεράστια ενέργειά του παρέχει πειστικές αποδείξεις στους ερευνητές ότι το μιόνιο προέρχεται από ένα κοσμικό νετρίνο που αλληλεπιδρά στην περιοχή του ανιχνευτή.
Ανακάλυψη από τα βάθη της Σικελίας
Το τηλεσκόπιο νετρίνων KM3NeT, η κατασκευή του οποίου είναι σε εξέλιξη, αποτελεί μία γιγαντιαία υποθαλάσσια υποδομή κατανεμημένη σε δύο ανιχνευτές, που ονομάζονται ARCA και ORCA. Στην τελική του μορφή το KM3NeT θα καταλαμβάνει όγκο μεγαλύτερο από ένα κυβικό χιλιόμετρο.
Ο ανιχνευτής ARCA, που έκανε τη συγκεκριμένη ανακάλυψη, έχει τοποθετηθεί στα βαθιά νερά της Σικελίας, σε βάθος 3.450 μέτρων, και σε απόσταση περίπου 80 χιλιομέτρων από την ακτή Πορτοπάλο Ντι Κάπο Πασέρο. Στοχεύει στην ανίχνευση νετρίνων υψηλών ενεργειών από γαλαξιακές και εξωγαλαξιακές πηγές.
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 θα περιλαμβάνει 230 ανιχνευτικές μονάδες, ενώ η συγκεκριμένη ανακάλυψη έγινε με μόλις το ένα δέκατο της τελικής διάταξης του ανιχνευτή, δηλαδή 21 ανιχνευτικές μονάδες. Τα δεδομένα που συλλέγονται από το ARCA μεταδίδονται μέσω υποθαλάσσιων καλωδίων στον παράκτιο σταθμό στο εργαστήριο του Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής INFN στην Ιταλία.
Ο δεύτερος ανιχνευτής ORCA αφορά στη μελέτη νετρίνων χαμηλότερων ενεργειών. Είναι τοποθετημένος σε βάθος 2.450 μέτρων, περίπου 40 χιλιόμετρα από την ακτή της Τουλόν στη Γαλλία. Θα 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 Λα Σεν Σιρ Μερ στη Γαλλία.
Η προέλευση του νετρίνου δεν είναι ακόμα σαφής. Μπορεί να προέρχεται από έναν ισχυρό κοσμικό επιταχυντή, όπως ένας ενεργός γαλαξιακός πυρήνας ή μια έκρηξη ακτίνων γάμμα. Εναλλακτικά, οι ερευνητές επισημαίνουν ότι θα μπορούσε να είναι ένα κοσμογονικό νετρίνο, που παράγεται κατά την αλληλεπίδραση μιας εξαιρετικά υψηλής ενέργειας κοσμικής ακτίνας με την ακτινοβολία υποβάθρου στο Σύμπαν.
Όπως περιγράφει στο ΑΠΕ-ΜΠΕ η κυρία Τζαμαριουδάκη, «προσπαθήσαμε να συσχετίσουμε το συγκεκριμένο νετρίνο με διάφορες πηγές, γαλαξιακές ή εξωγαλαξιακές. Η πιθανότητα είναι μικρή να προέρχεται από γαλαξιακές πηγές, αλλά ακόμα είναι υπό διερεύνηση.
Γνωρίζουμε πάντως ότι πρέπει να έχει προέλθει από κάποιο πολύ βίαιο φαινόμενο στο Σύμπαν για να έχει αυτή την ενέργεια. Με το εύρημα αυτό μάς ανοίγεται ένα καινούριο παράθυρο στο Σύμπαν, το οποίο πρέπει να κατανοήσουμε».
Μελλοντικές μελέτες θα επικεντρωθούν στην ανίχνευση περισσότερων τέτοιων γεγονότων για να δημιουργηθεί μια σαφέστερη εικόνα της προέλευσής τους. Η συνεχής επέκταση του KM3NeT με πρόσθετες ανιχνευτικές συστοιχίες και ο αυξανόμενος χρόνος λήψης δεδομένων θα οδηγήσουν στη βελτίωση της ευαισθησίας του και στην ενίσχυση της ικανότητάς του να εντοπίζει με ακρίβεια τις πηγές νετρίνων υψηλών ενεργειών.
Σημειώνεται ότι το πείραμα αποτελεί συνέχεια τριών πιλοτικών πειραμάτων για την ανίχνευση νετρίνων που ολοκληρώθηκαν, ένα εκ των οποίων ήταν το πείραμα Nestor που διεξήχθη στην Πύλο, ενώ τα άλλα δύο στη νότια Γαλλία και τη Σικελία.
Η ομάδα του Ινστιτούτου Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής του ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος που συμμετείχε στην έρευνα αποτελείται από τον διευθυντή του ΙΠΣΦ, Χρήστο Μάρκου, την Αικατερίνη Τζαμαριουδάκη, την ερευνήτρια, Ευαγγελία Δρακοπούλου, τεχνικό προσωπικό και φοιτητές και διαδραματίζει κομβικό ρόλο στην κατασκευή, τη λειτουργία, την ανάλυση δεδομένων και το management του πειράματος KM3NeT.
ΠΗΓΗ:newsit.gr
