Под волнами Средиземного моря развернулась космическая охота, ведущаяся европейским нейтринным телескопом KM3NeT. Эта масштабная установка, состоящая из километровых струн датчиков, натянутых до морского дна и расположенных в обширной 3D-сетке, является одной из флагманских исследовательских инфраструктур Европы и одним из самых амбициозных физических проектов в мире.
Его миссия — уловить призрачные субатомные частицы, называемые нейтрино. Эти частицы — посланники, способные беспрепятственно пересекать Вселенную, проходя даже сквозь планеты и звезды, неся информацию о событиях, происходящих далеко за пределами нашей Солнечной системы.
Уже в первые часы 13 февраля 2023 года KM3NeT зафиксировал нечто поразительное: интенсивная вспышка чистой энергии стала сигналом самого энергичного нейтрино, когда-либо наблюдавшегося. Его энергия была в 30 раз выше, чем любая предыдущая запись. С тех пор ученые пытаются установить его происхождение.
Содержание
Зачем искать нейтрино?
Нейтрино были теоретически предсказаны в 1930-х годах, а обнаружены десятилетия спустя. Они являются одними из самых распространенных частиц во Вселенной, но в то же время и самыми неуловимыми. Ежесекундно миллиарды нейтрино проходят сквозь наши тела, не оставляя и следа. У них нет электрического заряда и почти нет массы — они как минимум в миллион раз легче электрона. Они редко взаимодействуют с материей, что делает их чрезвычайно сложными для обнаружения.
Именно это «призрачное» качество делает их столь увлекательными для физиков. Паскаль Койл из Французского национального центра научных исследований, который координирует проект KM3NeT-INFRADEV2, поддерживающий развитие инфраструктуры KM3NeT, отмечает, что нейтрино — самые интересные частицы на данный момент, окруженные множеством загадок, и являются наименее изученными среди фундаментальных частиц.
Поскольку нейтрино могут пересекать Вселенную, не поглощаясь, они несут нетронутую информацию из самых экстремальных сред, известных науке: взрывающихся звезд, черных дыр и космических столкновений. Их изучение может раскрыть, как устроена Вселенная, и даже почему вообще существует материя. По словам Койла, «нейтрино — это самое близкое к ничто, что мы можем себе представить, но они являются ключом к полному пониманию работы Вселенной».
Охотники за призраками
KM3NeT ищет те редкие моменты, когда нейтрино все же себя обнаруживает. Время от времени нейтрино сталкивается с атомным ядром, порождая ливень вторичных частиц. В плотном, прозрачном материале, таком как вода или лед, это столкновение высвобождает слабое голубое свечение, известное как черенковское излучение. Датчики KM3NeT спроектированы для улавливания именно этого сигнала.
Такой подход используется и другими нейтринными обсерваториями, например, IceCube в Антарктиде и Super-Kamiokande в Японии. Но в отличие от IceCube, который сканирует глубокий полярный лед, KM3NeT смотрит сквозь темные воды Средиземного моря.
Телескоп построен из вертикальных линий, состоящих из стеклянных сфер размером с баскетбольный мяч, внутри которых находятся сверхчувствительные оптические датчики. Эти линии поднимаются со дна моря, как подводные небоскребы, простираясь на километр в темноте. Уже установлено более 1000 модулей, а к 2027 году планируется развернуть 6000. Арт Хейбуер, старший физик из Нидерландского национального института субатомной физики, помогавший проектировать телескоп, признался, что идея построить детектор на дне моря для улавливания этих очень странных частиц казалась сумасшедшей.
Инфраструктура KM3NeT состоит из двух отдельных установок:
1. ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), расположенная у побережья Сицилии, предназначена для отслеживания высокоэнергетических нейтрино из дальнего космоса.
2. ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), расположенная недалеко от Тулона во Франции, сосредоточена на поведении нейтрино, а именно на их колебании и массе.
Рекордный сигнал и великая загадка
Нейтрино, обнаруженное в 2023 году и получившее название KM3-230213A, зарегистрировало энергетический заряд в 220 петаэлектронвольт (ПэВ). Это чрезвычайно большая цифра для одной частицы и почти немыслимая в физике элементарных частиц. Койл признал, что ученые «на самом деле не ожидали обнаружить такое событие» и им пришлось «переделать целую кучу симуляций».
Откуда взялась эта рекордная частица — остается большой загадкой.
Нейтрино образуются из различных источников, включая ядерные реакции на Солнце, взрывающиеся звезды (сверхновые) и другие высокоэнергетические космические явления. Существуют две основные теории относительно происхождения самых энергичных нейтрино:
1. Блазары: Активные галактики, чьи сверхмассивные черные дыры выбрасывают струи энергии, направленные прямо к Земле.
2. Космогенные нейтрино: Образуются в результате столкновения высокоэнергетических космических лучей, пересекающих Вселенную, с фотонами света. Если KM3-230213A был создан таким образом, это может указывать на то, что космогенные нейтрино встречаются чаще, чем предполагалось.
Койл также допускает, что ученым «просто повезло», и KM3NeT, возможно, случайно заметил редкое нейтрино очень высокой энергии. Исследователи уточняют расчеты, чтобы точно отследить его происхождение. По словам Хейбуера, если частица исходит от блазара, это «очень захватывающе», но если она космогенного происхождения, это «тоже захватывающе».
Исследование природы материи
В то время как ARCA охотится за источником самых мощных частиц Вселенной, ORCA сосредоточена на том, как нейтрино меняют свою идентичность, или колеблются (осциллируют), между тремя различными «ароматами» — электронным, мюонным и тау — во время своего путешествия в пространстве.
Эти колебания могут раскрыть порядок масс нейтрино — недостающую часть Стандартной модели физики (теории, описывающей фундаментальные частицы материи). Порядок масс относится к последовательности трех состояний массы нейтрино от самого легкого до самого тяжелого.
Понимание нейтрино может, в конечном счете, объяснить, почему существует нечто, а не ничто. После Большого взрыва 13,7 миллиарда лет назад материя и антиматерия должны были взаимно уничтожить друг друга, оставив только пустое пространство. Тем не менее, материя выжила. Нейтрино могут быть ключом к этой загадке, особенно если они окажутся своей собственной античастицей.
Койл объясняет, что все эксперименты, пытающиеся измерить разницу между нейтрино и антинейтрино, сбиваются с толку, потому что они не знают, каков порядок масс. Он подчеркивает, что это «важный ввод для выяснения того, почему материи больше, чем антиматерии».
Развивая KM3NeT, Европа обеспечила себе лидирующую роль в этом глобальном научном предприятии. Эти инвестиции уже приносят плоды, как показывает обнаружение KM3-230213A, и ожидаются новые открытия по мере расширения телескопа.
По словам Койла, «мы не знаем их массу, мы не знаем их порядок масс, мы не знаем, являются ли они своей собственной античастицей». «Так что нейтрино — это то, что сейчас в центре внимания». С тысячами еще не развернутых датчиков, KM3NeT не только укрепляет роль Европы в фундаментальных исследованиях, но и вслушивается в самые слабые сигналы в природе. Каждая вспышка света глубоко под Средиземным морем может содержать послание о рождении Вселенной или даже ключ к разгадке того, почему существует нечто, а не ничто.
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.