Первое сверхвысокоэнергетическое нейтрино обнаружено глубоководным телескопом

Автор: CC0 Public Domain

Необычное событие, соответствующее нейтрино с расчетной энергией около 220 ПэВ (220 x ¹⁰¹⁵ электрон-вольт или 220 миллионов миллиардов электрон-вольт), было обнаружено 13 февраля 2023 года детектором ARCA километрового кубического нейтринного телескопа (KM3NeT) в глубоком море.

Это событие, названное KM3-230213A, является самым энергичным нейтрино, когда-либо наблюдавшимся, и дает первое доказательство того, что нейтрино столь высоких энергий производятся во Вселенной. После долгой и кропотливой работы по анализу и интерпретации экспериментальных данных международное научное сотрудничество KM3NeT сообщает подробности этого открытия в статье в Nature.

Обнаруженное событие было идентифицировано как одиночный мюон, который пересек весь детектор, вызвав сигналы в более чем трети активных датчиков. Наклон его траектории в сочетании с его огромной энергией дает убедительные доказательства того, что мюон произошел от космического нейтрино, взаимодействующего в непосредственной близости от детектора.

«KM3NeT начал исследовать диапазон энергии и чувствительности, в котором обнаруженные нейтрино могут возникать в результате экстремальных астрофизических явлений. Это первое в истории обнаружение нейтрино с энергией в сотни ПэВ открывает новую главу в нейтринной астрономии и новое наблюдательное окно во Вселенную», — комментирует Паскаль Койл, представитель KM3NeT на момент обнаружения и научный сотрудник Национального центра научных исследований CNRS — Центра физики частиц в Марселе, Франция.

Высокоэнергетическая вселенная — это область катаклизмических событий, таких как аккреция сверхмассивных черных дыр в центре галактик, взрывы сверхновых, гамма-всплески, все это, пока еще не полностью изучено. Эти мощные космические ускорители генерируют потоки частиц, называемых космическими лучами.

Некоторые космические лучи могут взаимодействовать с материей или фотонами вокруг источника, производя нейтрино и фотоны. Во время путешествия самых энергичных космических лучей по вселенной некоторые из них могут также взаимодействовать с фотонами космического микроволнового фонового излучения, производя чрезвычайно энергичные «космогенные» нейтрино.

«Нейтрино — одна из самых загадочных элементарных частиц. Они не имеют электрического заряда, почти не имеют массы и слабо взаимодействуют с материей. Они — особые космические посланники, приносящие нам уникальную информацию о механизмах, задействованных в самых энергетических явлениях, и позволяющие нам исследовать самые дальние уголки Вселенной», — объясняет Роза Конильоне, заместитель пресс-секретаря KM3NeT на момент обнаружения, научный сотрудник Национального института ядерной физики INFN в Италии.

Хотя нейтрино являются второй по распространенности частицей во Вселенной после фотонов, их слабое взаимодействие с материей делает их обнаружение крайне сложным и требует огромных детекторов.

Нейтринный телескоп KM3NeT, который в настоящее время находится в стадии строительства, представляет собой гигантскую глубоководную инфраструктуру, распределенную по двум детекторам, ARCA и ORCA. В своей окончательной конфигурации KM3NeT займет объем более одного кубического километра.

KM3NeT использует морскую воду в качестве среды взаимодействия нейтрино. Его высокотехнологичные оптические модули обнаруживают черенковский свет — голубоватое свечение, которое возникает при распространении через воду ультрарелятивистских частиц, образующихся при взаимодействии нейтрино.

«Чтобы определить направление и энергию этого нейтрино, потребовалась точная калибровка телескопа и сложные алгоритмы реконструкции трека. Более того, это замечательное обнаружение было достигнуто всего лишь с одной десятой от окончательной конфигурации детектора, что демонстрирует огромный потенциал нашего эксперимента для изучения нейтрино и нейтринной астрономии», — комментирует Аарт Хейбур, менеджер по физике и программному обеспечению KM3NeT на момент обнаружения и научный сотрудник Национального института субатомной физики Нихефа, Нидерланды.

Детектор KM3NeT/ARCA (Astroarticle Research with Cosmics in the Abyss) в основном предназначен для изучения нейтрино высочайших энергий и их источников во Вселенной.

Он расположен на глубине 3450 м, примерно в 80 км от побережья Портопало ди Капо Пассеро, Сицилия. Его 700-метровые блоки обнаружения (DU) закреплены на морском дне и расположены на расстоянии около 100 м друг от друга.

Каждый DU оснащен 18 цифровыми оптическими модулями (DOM), каждый из которых содержит 31 фотоумножитель (ФЭУ). В своей окончательной конфигурации ARCA будет включать 230 DU. Собранные данные передаются по подводному кабелю на береговую станцию в INFN Laboratori Nazionali del Sud.

Детектор KM3NeT/ORCA (Исследование колебаний с помощью Cosmics in the Abyss) оптимизирован для изучения фундаментальных свойств самого нейтрино. Он расположен на глубине 2450 м, примерно в 40 км от побережья Тулона, Франция. Он будет состоять из 115 DU, каждый высотой 200 м и разнесенных на 20 м. Данные, собранные ORCA, отправляются на береговую станцию в Ла-Сейн-сюр-Мер.

«Масштаб KM3NeT, в конечном итоге охватывающий объем около одного кубического километра с общим количеством фотоумножителей около 200 000, а также его экстремальное расположение в пучине Средиземного моря, демонстрируют исключительные усилия, необходимые для развития нейтринной астрономии и физики элементарных частиц», — комментирует Майлз Линдси Кларк, технический руководитель проекта KM3NeT на момент обнаружения и инженер-исследователь в Лаборатории астрочастиц и космологии CNRS, Франция.

«Обнаружение этого события является результатом огромных совместных усилий многих международных команд инженеров, техников и ученых».

Это сверхвысокоэнергетическое нейтрино может возникнуть непосредственно из мощного космического ускорителя. Альтернативно, это может быть первое обнаружение космогенного нейтрино. Однако на основе этого единственного нейтрино трудно сделать вывод о его происхождении.

Будущие наблюдения будут сосредоточены на обнаружении большего количества таких событий для построения более четкой картины. Продолжающееся расширение KM3NeT с дополнительными блоками обнаружения и получение дополнительных данных повысит его чувствительность и расширит его возможности по определению источников космических нейтрино, что сделает его ведущим участником многоканальной астрономии.

Сотрудничество KM3NeT объединяет более 360 ученых, инженеров, техников и студентов из 68 институтов из 21 страны мира.

Больше информации: The KM3NeT Collaboration, Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08543-1. www.nature.com/articles/s41586-024-08543-1.

Источник: CNRS