Подводный телескоп ARCA, являющийся частью международного проекта Km3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope), обнаружил самое энергичное нейтрино из когда-либо зафиксированных на сегодняшний день. Его энергия оценивается в 220 пета-электронвольт (ПЭВ), или 220 квадриллионов электронвольт. Событие, получившее название KM3-230213A, представляет собой важную веху в изучении этих неуловимых частиц и их космического происхождения.
В открытии участвовали исследователи из нескольких международных институтов, и оно имеет особое значение, поскольку представляет собой первое свидетельство существования нейтрино с экстремальными энергиями, никогда ранее не наблюдавшимися. Обнаружение было сделано 13 февраля 2023 года, но для подтверждения и анализа данных потребовались месяцы проверки, прежде чем вчера, 12 февраля 2025 года, можно было с уверенностью объявить об этом.
Нейтрино было обнаружено благодаря сложным приборам ARCA на глубине 3450 метров в водах у берегов Сицилии. Италия участвует в проекте через Национальный институт ядерной физики (INFN), а Национальный институт астрофизики (INAF), расположенный в Палермо и Катании, принимает участие в проекте PNRR, связанном с KM3NeT (под названием KM3NeT4RR).
Нейтрино — это субатомные частицы, принадлежащие к семейству лептонов, характеризующиеся чрезвычайно малой массой и полным отсутствием электрического заряда. Эта особенность делает их практически неуязвимыми для сильных электромагнитных и ядерных сил, оставляя слабые ядерные силы и гравитацию единственными каналами их взаимодействия. В результате нейтрино проходят сквозь материю без помех: миллиарды из них проносятся через нас каждую секунду, и мы этого не замечаем.
Несмотря на свою неуловимость, нейтрино играют ключевую роль в нашем понимании Вселенной. Они в изобилии образуются в ядерных реакциях, происходящих внутри звезд, в процессах термоядерного синтеза, питающих Солнце. А также во время экстремальных астрофизических событий, таких как взрывы сверхновых и слияние нейтронных звезд. Они также образуются при радиоактивном распаде на Земле и в ядерных реакторах.
Их изучение уже привело к фундаментальным открытиям в физике. Одним из самых значительных результатов стало наблюдение осцилляций нейтрино, которое показало, что эти частицы обладают массой, пусть и крошечной, что противоречит первоначальным предсказаниям Стандартной модели.
Событие KM3-230213A было идентифицировано 13 февраля 2023 года при помощи ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), одной из двух секций европейского подводного телескопа Km3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope). ARCA предназначен для обнаружения высокоэнергетических нейтрино и расположен на глубине 3450 метров в Средиземном море, недалеко от Портопало ди Капо Пассеро, Сицилия.
Обсерватория не наблюдает нейтрино напрямую. Она использует ряд сферических оптических модулей, каждый из которых содержит высокочувствительные фотоумножители, способные улавливать слабые вспышки черенковского света. Этот свет испускается, когда вторичные заряженные частицы, образующиеся при взаимодействии нейтрино с окружающей средой, проходят через воду со скоростью, превышающей скорость света в самой воде. Анализ сигналов позволяет исследователям проследить направление и энергию первичного нейтрино.
РЕКЛАМА Событие, о котором идет речь, отличается необычайной энергией в 220 ПэВ, что примерно в 30 раз больше, чем у самых энергичных космических нейтрино, наблюдавшихся ранее. Поэтому нейтрино называют UHE-нейтрино (где UHE означает Ultra High Energy). Для сравнения, энергия нейтрино, образующихся на Солнце, составляет порядка нескольких МэВ (миллион электрон-вольт), а нейтрино, зарегистрированные телескопом IceCube в Антарктиде, достигают максимум нескольких ПэВ. Обнаружение нейтрино с энергией 220 ПэВ указывает на то, что его происхождение связано с экстремальными астрофизическими источниками, такими как блазары и активные галактические ядра.
Для подтверждения этого события потребовались месяцы анализа, чтобы отличить сигнал от других случайных событий и проверить его происхождение. Обнаружение нейтрино с такими высокими энергиями представляет собой прямое окно в космические явления, до сих пор недоступные для других методов наблюдения.
Наблюдение нейтрино с такой экстремальной энергией открывает новые вопросы о его происхождении и механизме, разогнавшем его до столь высоких уровней. На сегодняшний день астрофизические источники ультраэнергетических нейтрино все еще изучаются. Лишь немногие события удалось с уверенностью соотнести с конкретным источником.
Одним из основных кандидатов на производство таких нейтрино являются активные галактические ядра (АГЯ) - сердца галактик, в которых интенсивно аккрецируют сверхмассивные черные дыры. Взаимодействие между очень высокоэнергетичными частицами в релятивистских струях, испускаемых АГЯ, может привести к генерации таких энергичных нейтрино. Другие возможные сценарии включают столкновения космических лучей с межзвездной материей или испарение экзотических объектов, таких как космические струны.
Другой важный аспект касается физики за пределами Стандартной модели. Энергия нейтрино KM3-230213A настолько высока, что может дать подсказки о пока неизвестных физических процессах, например, о существовании новых взаимодействий или гипотетических частиц, предсказываемых теориями за пределами Стандартной модели.
Это открытие также демонстрирует эффективность подводных телескопов, таких как ARCA, в обнаружении нейтрино очень высоких энергий и предоставлении дополнительной информации таким обсерваториям, как IceCube. В ближайшие несколько лет, после завершения строительства KM3NeT и модернизации сети детекторов, можно будет собрать больше данных и, возможно, с большей уверенностью определить источники этих нейтрино. Цель состоит в том, чтобы создать настоящую нейтринную астрономию, которая сможет дополнить традиционную и новую многоместную астрономию.