En ekstraordinær begivenhed, der er i overensstemmelse med en neutrino med en estimeret energi på ca. 220 PEV (220 x 1015 Elektronvolt eller 220 millioner milliarder elektronvolt) blev detekteret den 13. februar 2023 af ARCA -detektoren af kilometerskubik -neutrino -teleskopet (KM3NET) i dybhavet.
Denne begivenhed, der hedder KM3-230213A, er den mest energiske neutrino, der nogensinde er observeret og leverer de første bevis for, at neutrinoer af så høje energi produceres i universet. Efter langt og omhyggeligt arbejde med at analysere og fortolke de eksperimentelle data, rapporterer det internationale videnskabelige samarbejde mellem KM3Net detaljerne om denne opdagelse i en artikel i Natur.
Den detekterede begivenhed blev identificeret som en enkelt muon, der krydsede hele detektoren, hvilket inducerede signaler i mere end en tredjedel af de aktive sensorer. Hældningen af dens bane kombineret med dens enorme energi giver overbevisende bevis for, at muonen stammer fra en kosmisk neutrino, der interagerer i nærhed af detektoren.
“KM3Net er begyndt at undersøge en række energi og følsomhed, hvor detekterede neutrinoer kan stamme fra ekstreme astrofysiske fænomener. Denne første påvisning af en neutrino af hundreder af PEV åbner et nyt kapitel i neutrino -astronomi og et nyt observationsvindue på universet,” Kommentarer Paschal Coyle, KM3NET -talsmand på tidspunktet for detektionen, og forsker ved CNRS Center National de la Recherche Scientifique – Center de Physique des Particules de Marseille, Frankrig.
Højenergi-universet er riket af kataklysmiske begivenheder, såsom at akkrete supermassive sorte huller i midten af galakser, supernova-eksplosioner, gammastråle burst, alt sammen endnu, ikke fuldt ud forstået. Disse kraftige kosmiske acceleratorer genererer vandløb af partikler kaldet kosmiske stråler.
Nogle kosmiske stråler kan interagere med stof eller fotoner omkring kilden for at producere neutrinoer og fotoner. Under rejsen med de mest energiske kosmiske stråler over universet kan nogle også interagere med fotoner af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling for at producere ekstremt energiske “kosmogene” neutrinoer.
“Neutrinoer er en af de mest mystiske af elementære partikler. De har ingen elektrisk ladning, næsten ingen masse og interagerer kun svagt med stoffer. De er specielle kosmiske budbringere, hvilket bringer os unikke oplysninger om de mekanismer, der er involveret i de mest energiske fænomener og tillader os For at udforske universets længste rækkevidde, “forklarer” Rosa Coniglione, KM3Net-stedfortræder på tidspunktet for detektionen, forsker ved InfN National Institute for Nuclear Physics, Italien.
Selvom neutrinoer er den næst mest rigelige partikel i universet efter fotoner, gør deres svage interaktion med stof dem meget svære at opdage og kræver enorme detektorer.
KM3NET Neutrino-teleskopet, der i øjeblikket er under opførelse, er en kæmpe dybhavinfrastruktur, der er fordelt over to detektorer, ARCA og ORCA. I sin endelige konfiguration vil KM3Net optage et volumen på mere end en kubikkilometer.
KM3Net bruger havvand som interaktionsmedium til neutrinoer. Dens højteknologiske optiske moduler detekterer Cherenkov-lyset, en blålig glød, der genereres under forplantningen gennem vandet i de ultra-relativistiske partikler produceret i neutrino-interaktioner.
“For at bestemme denne neutrinos retning og energi krævede en præcis kalibrering af teleskopet og sofistikerede sporrekonstruktionsalgoritmer. Desuden blev denne bemærkelsesværdige detektion opnået med kun en tiendedel af den endelige konfiguration af detektoren, hvilket demonstrerer det store potentiale i vores eksperiment til Undersøgelsen af neutrinoer og for neutrino -astronomi, “kommenterer AART Heijboer, KM3Net Physics and Software Manager på tidspunktet for detektionen og forsker ved Nikhef National Institute for Subatomic Physics, Holland.
KM3NET/ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) er hovedsageligt dedikeret til studiet af de højeste energneutrinoer og deres kilder i universet.
Det ligger på 3.450 m dybde, ca. 80 km fra kysten af Portopalo di Capo Passero, Sicilien. Dens 700 m høje detektionsenheder (DUS) er forankret til havbunden og placeret ca. 100 m fra hinanden.
Hver DU er udstyret med 18 digitale optiske moduler (DOM), der hver indeholder 31 fotomultiplikatorer (PMT’er). I sin endelige konfiguration vil ARCA omfatte 230 DUS. De indsamlede data overføres via et ubådskabel til kyststationen ved Infn Laboratori Nazionali del Sud.
KM3NET/ORCA (oscillationsundersøgelser med kosmics i afgrunden) er optimeret til at studere de grundlæggende egenskaber for selve neutrinoen. Det er placeret i en dybde på 2.450 m, ca. 40 km fra kysten af Toulon, Frankrig. Det vil omfatte 115 DUS, hver 200 m høj og fordelt med 20 m. De data, der er indsamlet af ORCA, sendes til Shore Station på La Seyne Sur Mer.
“Omfanget af KM3Net, der til sidst omfatter et volumen på ca. en kubikkilometer med i alt ca. 200.000 fotomultiplikatorer sammen med dens ekstreme placering i Middelhavets ekstreme bane, demonstrerer de ekstraordinære bestræbelser, der kræves for at fremme neutrino -astronomi og partikelfysik, “Kommentarer Miles Lindsey Clark, KM3NET teknisk projektleder på tidspunktet for detektionen og forskningsingeniør ved CNRS – Astroparticle og Cosmology Laboratory, Frankrig.
“Påvisningen af denne begivenhed er resultatet af en enorm samarbejdsindsats mellem mange internationale teams af ingeniører, teknikere og forskere.”
Denne ultrahøj energneutrino kan stamme direkte fra en kraftig kosmisk accelerator. Alternativt kan det være den første påvisning af en kosmogen neutrino. Baseret på denne enkelt neutrino er det imidlertid vanskeligt at afslutte dens oprindelse.
Fremtidige observationer vil fokusere på at opdage flere sådanne begivenheder for at opbygge et klarere billede. Den igangværende udvidelse af KM3NET med yderligere detektionsenheder og erhvervelsen af yderligere data vil forbedre dens følsomhed og forbedre dens evne til at finde ud af kosmiske neutrino-kilder, hvilket gør det til en førende bidragyder til multi-Messenger astronomi.
KM3NET -samarbejdet samler mere end 360 forskere, ingeniører, teknikere og studerende på 68 institutioner fra 21 lande over hele verden.