Прорыв в нейтринной астрономии: глубоководный телескоп KM3NeT зафиксировал самое энергичное нейтрино в истории наблюдений

12.02.2025 22:14:00 | iXBT.com

В глубинах Средиземного моря, на расстоянии 80 километров от побережья Сицилии, произошло событие, которое может изменить наше понимание Вселенной. 13 февраля 2023 года детектор ARCA, являющийся частью нейтринного телескопа KM3NeT, зафиксировал нейтрино с беспрецедентно высокой энергией – около 220 ПэВ (220 миллионов миллиардов электронвольт).

Это открытие, получившее название KM3-230213A, стало первым доказательством существования нейтрино столь высоких энергий во Вселенной. Международная научная коллаборация KM3NeT после длительного и тщательного анализа экспериментальных данных опубликовала подробности этого открытия в журнале Nature 12 февраля 2025 года.

Зафиксированное событие было идентифицировано как одиночный мюон, пересёкший весь детектор и вызвавший сигналы более чем в трети активных сенсоров. Наклон его траектории в сочетании с огромной энергией убедительно свидетельствует о том, что мюон возник в результате взаимодействия космического нейтрино вблизи детектора.

Иллюстрация глубоководного нейтринного телескопа KM3NeT. Источник: нейросеть DALL-E

Паскаль Койл, представитель KM3NeT и исследователь Национального центра научных исследований Франции, отметил: «KM3NeT начал исследовать диапазон энергий и чувствительности, где обнаруженные нейтрино могут происходить от экстремальных астрофизических явлений. Это первое обнаружение нейтрино с энергией в сотни ПэВ открывает новую главу в нейтринной астрономии и новое окно наблюдения за Вселенной».

Высокоэнергетическая Вселенная – это область катаклизмических событий, таких как аккреция сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик, взрывы сверхновых, гамма-всплески, которые до сих пор не полностью изучены. Эти мощные космические ускорители генерируют потоки космических лучей. Некоторые космические лучи могут взаимодействовать с веществом или фотонами вокруг источника, производя нейтрино и фотоны. Во время путешествия наиболее энергичных космических лучей через Вселенную некоторые из них могут также взаимодействовать с фотонами реликтового излучения, производя чрезвычайно энергичные «космогенные» нейтрино.

Роза Конильоне, заместитель представителя KM3NeT и исследователь Национального института ядерной физики Италии, объясняет: «Нейтрино – одни из самых загадочных элементарных частиц. У них нет электрического заряда, почти нет массы, и они слабо взаимодействуют с веществом. Они являются особыми космическими посланниками, приносящими нам уникальную информацию о механизмах, задействованных в самых энергичных явлениях, и позволяющими исследовать самые дальние уголки Вселенной».

Нейтринный телескоп KM3NeT, находящийся в стадии строительства, представляет собой гигантскую глубоководную инфраструктуру, распределённую между двумя детекторами – ARCA и ORCA. В своей окончательной конфигурации KM3NeT будет занимать объём более одного кубического километра.

KM3NeT использует морскую воду в качестве среды взаимодействия для нейтрино. Его высокотехнологичные оптические модули обнаруживают черенковское излучение, возникающее при распространении в воде ультрарелятивистских частиц, образующихся при взаимодействии нейтрино.

Аарт Хейбур, менеджер по физике и программному обеспечению KM3NeT и исследователь Национального института субатомной физики Нидерландов, комментирует: «Для определения направления и энергии этого нейтрино потребовалась точная калибровка телескопа и сложные алгоритмы реконструкции треков. Более того, это обнаружение было достигнуто всего с одной десятой частью окончательной конфигурации детектора, что демонстрирует огромный потенциал нашего эксперимента для изучения нейтрино и нейтринной астрономии».

Событие KM3-230213A обозначено красной звездой, а области ошибок в пределах R(68%), R(90%) и R(99%) показаны пунктирными, штриховыми и сплошными контурами соответственно. Направления выбранных кандидатов на источники показаны цветными маркерами. Источник: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08543-1

Детектор KM3NeT/ARCA в основном предназначен для изучения нейтрино самых высоких энергий и их источников во Вселенной. Он расположен на глубине 3450 метров, примерно в 80 км от побережья Портопало-ди-Капо-Пассеро, Сицилия. Его детектирующие единицы (DU) высотой 700 метров закреплены на морском дне и расположены на расстоянии около 100 метров друг от друга. Каждая DU оснащена 18 цифровыми оптическими модулями (DOM), каждый из которых содержит 31 фотоумножитель (ФЭУ). В окончательной конфигурации ARCA будет включать 230 DU. Собранные данные передаются по подводному кабелю на береговую станцию в Национальных лабораториях Юга INFN.

Детектор KM3NeT/ORCA оптимизирован для изучения фундаментальных свойств самого нейтрино. Он расположен на глубине 2450 метров, примерно в 40 км от побережья Тулона, Франция. Он будет состоять из 115 DU, каждая высотой 200 метров и с интервалом 20 метров. Данные, собранные ORCA, отправляются на береговую станцию в Ла-Сен-сюр-Мер.

Нейтрино сверхвысокой энергии KM3-230213A может происходить от мощного космического ускорителя. Альтернативно, это может быть первым обнаружением космогенного нейтрино. Однако на основе этого единственного события трудно сделать вывод о его происхождении.

Последующие наблюдения будут сосредоточены на обнаружении большего количества таких событий для создания более чёткой картины. Продолжающееся расширение нейтринного телескопа KM3NeT с дополнительными детектирующими единицами и сбор дополнительных данных улучшат его чувствительность и повысят способность точно определять источники космических нейтрино.

Коллаборация KM3NeT объединяет более 360 учёных, инженеров, техников и студентов из 68 учреждений 21 страны мира.

Подробнее