Нейтрино называют «частицами-призраками». Эти фундаментальные частицы участвуют только в слабом (процессы на уровне элементарных частиц) и гравитационном взаимодействии. Они крайне слабо взаимодействуют с веществом и пролетают его насквозь. Как следствие, в их поведении «сохраняется» информация о самых экстремальных процессах во Вселенной. Поэтому ученые объявили «охоту» на нейтрино. В том числе с помощью эксперимента KM3NeT.
KM3NeT — глубоководная нейтринная обсерватория черенковского типа на дне Средиземного моря. Она состоит из нескольких детекторов, расположенных у побережий европейских стран. В каждом детекторе — тысячи датчиков. Их задача — уловить черенковское излучение в толще средиземных вод. Черенковское излучение создают заряженные частицы, двигающиеся в прозрачной среде со скоростью, которая выше фазовой скорости света в этой среде.
В феврале 2023-го детектор ARCA обсерватории KM3NeT уловил у сицилийского берега заветное свечение. Нейтрино натолкнулось на атом, от взаимодействия вылетел электрон, который и вызвал черенковское излучение в воде. По расчетам, энергия этого нейтрино была в 20-30 раз выше, чем за всю историю таких наблюдений на всех детекторах, включая знаменитый IceCube. Событие получило «кодовое название» KM3-230213A.
Анализируя необычное событие, ученые сопоставили данные KM3-230213A с архивными обнаружениями нейтрино. Так они подтвердили, что событие не было ошибкой детектора или расчетов. Ультравысокоэнергетическое нейтрино KM3-230213A имело энергию около 220 петаэлектронвольт (ПэВ). Для сравнения: на Большом адронном коллайдере пока удалось достичь энергий в 30 тысяч раз меньше.
Также авторы новой научной работы постарались понять, как возникло это нейтрино: «обычным» путем, как и остальные обнаруженные нейтрино, или более «экзотическим». Предполагается, что в потоке настолько энергетических нейтрино должны преобладать частицы, возникшие от столкновения космических лучей с реликтовым излучением.
«Если подтвердится наличие нового компонента в потоке [летящих сквозь Вселенную] нейтрино, это станет научным прорывом. Оно будет означать, что, вероятно, мы впервые увидели нейтрино космического происхождения, которое образовалось от взаимодействия космического луча и реликтового излучения, а может, оно укажет на совершенно новый астрофизический источник», — написали ученые коллаборации KM3NeT в статье, опубликованной в журнале Physical Review X.
К сожалению, по доступным данным подтвердить «реликтовое» происхождение этого нейтрино не удалось. Необходимо «поймать» больше ультравысокоэнергетических событий.
Что касается конкретного источника нейтрино KM3-230213A, то это могла быть сверхновая, гамма-всплеск или релятивистский джет от черной дыры. Земные детекторы чаще всего ловят атмосферные нейтрино, возникающие при попадании космических лучей в атомы воздуха, но в случае KM3-230213A нейтрино точно прилетело из космоса. Более того, с высокой вероятностью оно прилетело извне Млечного Пути.
Ранее ученые коллаборации нашли 17 блазаров, которые могли быть источниками нейтрино KM3-230213A. Блазары — активные ядра галактик с вылетающими из полюсов релятивистскими джетами, направленными в нашу сторону. Вычислить конкретный блазар невозможно — они все расположены в области неба, откуда прилетела частица. Зато исследователи смогли связать нейтрино с радиовсплеском от объекта PMN J0606 0724.