Nylig forskning på lette partikler kaldet neutrinoer kan have passeret dig forbi – meget ligesom de mere end 10 billioner neutrinoer, der passerer gennem din krop hvert sekund. Nu rapporterer vores nye papir – med 21 lande, mere end 60 institutter og omkring 360 forskere, der bidrager – observationen af den mest energiske neutrino endnu.
På trods af det enorme antal neutrinoer omkring os, er dette en af de mest spændende – og sjældneste – astronomiske begivenheder i året. Vores papir er blevet offentliggjort i tidsskriftet Natur.
Neutrinoer er små elementære (subatomære) partikler, der er rigelige i vores univers. Alligevel har du sandsynligvis ikke set noget. De interagerer ikke med andre spørgsmål på de måder, vi er bekendt med.
Deres mangel på ladning betyder for eksempel, at den elektrostatiske kraft, der styrer de fleste af vores daglige oplevelser, ikke interagerer med dem overhovedet. Og deres forsvindende lille masse betyder, at tyngdekraften – den anden store kraft, vi oplever – heller ikke har nogen indflydelse på dem under laboratorieforhold på Jorden.
Så detektering af deres tilstedeværelse er mildt sagt udfordrende.
Neutrinoer kan produceres i et stort antal miljøer. Disse inkluderer det radioaktive forfald af bananer, det indre af solen, under den voldelige død af en massiv stjerne og i de varme, tætte stoffer omkring supermassive sorte huller, for blot at nævne nogle få.
De dannes gennem handlingerne fra den svage atomkraft, der styrer radioaktivt forfald. Det er denne kraft, der gør det muligt for positivt ladede partikler kaldet protoner – som udgør atomkernen – at ændre til neutroner, neutralt ladede partikler, der også findes i atomkernen, og vice versa.
Vi kan ikke registrere en neutrino direkte. Men nu og da (selvom meget sjældent), kan de støde på noget. Når det sker, kan der gennem handlingen af denne svage atomkraft oprettes en ladet partikel, såsom en elektron, – tilsyneladende ud af intetsteds – som vi kan registrere.
De ladede partikler rejser med enorme hastigheder. Og når de bevæger sig gennem et medium som vand, skaber de en uhyggelig, svag blå glød, når de er bremset. Denne begivenhed, kaldet Cherenkov -effekten, sker også i nuklearreaktorindeslutningsbassiner.
Hvor sandsynligt (eller usandsynligt) er disse interaktioner? Nå, du bliver nødt til at vende 75 hoveder i træk på en fair mønt for at have den samme sandsynlighed for, at en enkelt neutrino interagerer med en partikel af stof. Synes dette er let? Gå videre og vend dem. Det tager et stykke tid.
Under havet
KM3Net Telescope -samarbejdet bruger denne Cherenkov -effekt til at undersøge dybden i Middelhavet til den fortællende svage glød af disse neutrino -begivenheder. De driver to enorme detektionsstationer – en fra bredden af Toulon, Frankrig og en ud for den sydlige kyst på Sicilien. Forskere holder øje med begivenheder døgnet rundt.
Omfanget af disse detektorer er gigantiske, ligesom de fleste neutrino -detektorer, da den eneste måde at opdage den undvigende neutrino -kollision er at forsøge at øge mængden af stof, som neutrinoen kan interagere med. Faktisk står KM3 -delen af KM3NET -forkortelsen for kilometerterningen (KM3) af havvand, som detektoren vil undersøge, når den er afsluttet.
Detektionsstationerne i sig selv består af næsten 600 lysdetektorer – sfæriske bøjer, der hver indeholder 31 lysfølsomrør, som er fastgjort til kabler, der er forankret til havbunden op til 3,5 km under overfladen.
Den partikel, der er beskrevet i vores nylige artikel, blev påvist den 13. februar 2023. Du kan undre dig over: Hvorfor den lange ventetid? Den mellemliggende tid blev brugt af samarbejdspartnere i hele Europa, der bekræftede og simulerede detektionen for at bekræfte begivenhedens art. Efter måneders arbejde fra KM3NET -teamet kan vi endelig sige, at dette er den mest energiske observation af en neutrino -interaktion, der nogensinde er registreret.
Cirka 28.000 fotoner (lette partikler) blev påvist på tværs af matrixen på Sicilien, hvilket indikerer, at der lige var sket en enorm energisk begivenhed. Når det er sagt, genererer i gennemsnit 75W lyspære millioner og millioner af fotoner hvert sekund (ca. 100 kvintillion for at være mere præcis). Men selvom disse få tusinder af fotoner muligvis ser ud til at være en lille begivenhed, skal du huske, at dette er genereret af en enkelt partikel.
Faktisk blev energien fra den neutrino, der var ansvarlig for en så lys skærm, estimeret til at være 220 PETA-ELECTRONVOLTS (PEV) eller 30 gange mere energisk end den hidtil højeste energi neutrino registreret. Med hensyn til partikelenergier er det omkring 1.000 gange mere energisk end de partikler, der genereres på CERN, den mest energiske acceleratorfacilitet i verden.
Det lys, der blev genereret af denne rekordstore begivenhed, kunne følges gennem detektorarrayet, og vores samarbejde var i stand til at bruge det til at rekonstruere den næsten horisontale bane for denne højenergyutrino. Stien taget indikerer, at denne neutrino er af kosmisk oprindelse.
Vi ved ikke nøjagtigt, hvor det kommer fra, men vi har identificeret 12 potentielle blazarer (lyse kerner af aktive galakser), der kan have produceret det. Det er også muligt, at det blev skabt gennem samspillet mellem kosmiske stråler med fotoner fra den kosmiske energibaggrund.
Denne detektion giver et vindue ind i de ultrahøj-energi-fænomener, der sker i universet og kunne for eksempel hjælpe os med at forstå arten af nogle af de mest energiske kosmiske stråler. Desuden kan observationen hjælpe os med at teste de teoretiske modeller yderligere, der forudsiger eksistensen af højenergienutrinoer.