Το πιο υψηλό-ενεργειακό νετρίνο που έχει ανιχνευθεί ποτέ και παρέχει την πρώτη απόδειξη ότι νετρίνα τόσο υψηλών ενεργειών παράγονται στο σύμπαν, ανακοίνωσε ότι εντόπισε το Ινστιτούτο Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής (ΙΠΣΦ), του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «Δημόκριτος».
Το νετρίνο που ανιχνεύθηκε στις 13 Φεβρουαρίου 2023 από τον ARCA του τηλεσκοπίου νετρίνων κυβικού χιλιομέτρουτου (KM3NeT), έχει εκτιμώμενη ενέργεια περίπου 220 PeV (=220×1015eV), σε μεγάλο βάθος της Μεσογείου. Η ενέργεια των 220 PeV ισοδυναμεί με την κινητική ενέργεια που έχει ένα μπαλάκι του πινγκ-πονγκ με μάζα 2,7 γραμμάρια που κινείται με ταχύτητα 18 χιλιόμετρα ανά ώρα (ή 5 μέτρα ανά δευτερόλεπτο).
Σύμφωνα με το physicsgg.me, το νετρίνο είναι ένα υποατομικό σωματίδιο, που μοιάζει πολύ με το ηλεκτρόνιο, αλλά δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο ενώ η μάζα του είναι πολύ μικρή, με πιθανότητα να είναι ακόμα και μηδενική. Τα νετρίνα είναι από τα πλέον άφθονα σωματίδια στο Σύμπαν. Επειδή εμφανίζουν πολύ μικρή αλληλεπίδραση με την ύλη, είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευτούν. Οι πυρηνικές δυνάμεις βλέπουν τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα ταυτόσημα. Κανένα από τα δύο δεν συμμετέχει στις ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις, αλλά αντίθετα συμμετέχουν και τα δύο στις ασθενείς πυρηνικές αλληλεπιδράσεις. Τα σωματίδια γενικά που εμφανίζουν αυτή την ιδιότητα ονομάζονται λεπτόνια.
Εκτός από το ηλεκτρόνιο και το αντισωμάτιό του το ποζιτρόνιο, τα φορτισμένα σωματίδια περιλαμβάνουν το μιόνιο (με μάζα 200 φορές μεγαλύτερη του ηλεκτρονίου), το ταυ (με μάζα 3500 φορές μεγαλύτερη του ηλεκτρονίου) και τα αντισωμάτιά τους.
Τόσο το μιόνιο όσο και το ταυ, όπως το ηλεκτρόνιο έχουν αντίστοιχα νετρίνα που τα συνοδεύουν, και λέγονται μιονικό- νετρίνο και ταυ- νετρίνο. Οι τρεις τύποι νετρίνου διαφέρουν μεταξύ τους.
Για παράδειγμα, όταν τα μιονικά νετρίνα αλληλεπιδρούν με κάποιο στόχο θα παράγουν πάντα μιόνια και ποτέ ταυ ή ηλεκτρόνια. Στις αλληλεπιδράσεις σωματιδίων, αν και τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα ηλεκτρονίων μπορούν να δημιουργούνται και να καταστρέφονται, το άθροισμα του αριθμού των ηλεκτρονίων και των νετρίνων των ηλεκτρονίων, διατηρείται σταθερό. Το γεγονός αυτό μας έχει οδηγήσει στη διαίρεση των λεπτονίων σε τρεις οικογένειες, που η καθεμιά περιλαμβάνει ένα φορτισμένο λεπτόνιο και το αντίστοιχό του νετρίνο.
Το νετρίνο είναι ένα αφόρτιστο και πολύ ελαφρύ σωματίδιο, του οποίου η ύπαρξη προτάθηκε από τον αυστριακό φυσικό Βόλφγκανγκ Πάουλι, ώστε να ισχύει η αρχή διατήρησης της ορμής και της ενέργειας στη ραδιενεργή εκπομπή ηλεκτρονίων από τον ατομικό πυρήνα, τη λεγόμενη β διάσπαση.
Πώς προκαλούνται τα νετρίνα;
Οι υπερμαζικές μαύρες τρύπες στο κέντρο των γαλαξιών, οι εκρήξεις σουπερνόβα, οι εκρήξεις ακτινών γάμμα, και άλλα βίαια κατακλυσμικά γεγονότα στο σύμπαν, λειτουργούν ως κοσμικοί επιταχυντές, δημιουργώντας ροές σωματιδίων που ονομάζονται κοσμικές ακτίνες. Μερικές κοσμικές ακτίνες μπορεί να αλληλοεπιδράσουν με την ύλη ή τα φωτόνια γύρω από την πηγή, για να παράγουν νετρίνα και άλλα σωματίδια, ενώ άλλες διαφεύγουν στο απέραντο διάστημα. Κατά διάρκεια του ταξιδιού των πιο ενεργητικών κοσμικών ακτινών, κάποιες από αυτές μπορεί να αλληλοεπιδράσουν με τα φωτόνια της μικροκυματικής κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, παράγοντας «κοσμογονικά» νετρίνα με εξαιρετικά υψηλή ενέργεια.
Ειδικοί κοσμικοί αγγελιοφόροι
Τα νετρίνα ανήκουν στα πιο μυστηριώδη στοιχειώδη σωματίδια. Δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, σχεδόν καθόλου μάζα και αλληλοεπιδρούν ασθενώς με την ύλη. Είναι ειδικοί κοσμικοί αγγελιοφόροι, που μας φέρνουν μοναδικές πληροφορίες για τους μηχανισμούς που εμπλέκονται στα πιο ενεργητικά φαινόμενα του σύμπαντος και μας επιτρέπουν να εξερευνήσουμε τα πιο μακρινά σημεία του Σύμπαντος.
Αν και τα νετρίνα κατέχουν τη δεύτερη θέση αφθονίας σωματιδίων στο σύμπαν (μετά τα φωτόνια), είναι πολύ δύσκολο να ανιχνευθούν εξαιτίας της ασθενούς αλληλεπίδρασής τους με την ύλη. Γι’ αυτό οι ανιχνευτές νετρίνων έχουν τεράστιο μέγεθος. Όπως το τηλεσκόπιο νετρίνων KM3NeT – του οποίου η πλήρης κατασκευή δεν έχει ολοκληρωθεί – μια τεράστια κατασκευή στον βυθό της θάλασσας που συνίσταται από δύο ανιχνευτές, ARCA και ORCA. Στην τελική του διαμόρφωση, ο ανιχνευτής KM3NeT θα καταλαμβάνει όγκο μεγαλύτερο από ένα κυβικό χιλιόμετρο. Ο KM3NeT χρησιμοποιεί το θαλασσινό νερό ως μέσο αλληλεπίδρασης για τα νετρίνα. Οι υψηλής τεχνολογίας οπτικές μονάδες του ανιχνεύουν την ακτινοβολία Cherenkov, μια γαλαζωπή λάμψη που παράγεται κατά τη διάδοσή τους στο νερό των υπερσχετικιστικών σωματιδίων που παράγονται από τις αλληλεπιδράσεις των νετρίνων.
Ο ανιχνευτής KM3NeT/ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) είναι αφιερωμένος κυρίως στη μελέτη των νετρίνων υψηλής ενέργειας και των πηγών τους στο σύμπαν. Βρίσκεται σε βάθος 3450 μέτρα, περίπου 80 χιλιόμετρα από την ακτή του Portopalo di Capo Passero της Σικελίας. Οι μονάδες ανίχνευσης ύψους 700 μέτρων είναι αγκυρωμένες στον βυθό της θάλασσας και βρίσκονται σε απόσταση περίπου 100 μέτρων μεταξύ τους. Κάθε μονάδα είναι εξοπλισμένη με 18 ψηφιακές οπτικές μονάδες που η καθεμία περιέχει 31 φωτοπολλαπλασιαστές. Στην τελική του διαμόρφωση, ο ανιχνευτές ARCA θα περιλαμβάνει 230 μονάδες ανίχνευσης. Τα δεδομένα που συλλέγονται μεταδίδονται μέσω ενός υποθαλάσσιου καλωδίου στον παράκτιο σταθμό στο INFN Laboratori Nazionali del Sud.
Ο ανιχνευτής KM3NeT/ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) θα διερευνά τις θεμελιώδεις ιδιότητες των ανιχνευίμενων νετρίνων. Βρίσκεται σε βάθος 2450 μέτρα, περίπου 40 χιλιόμετρα από την ακτή της Toulon στη Γαλλία. Θα περιλαμβάνει 115 μονάδες ανίχνευσης, η καθεμία με ύψος 200 m και απόσταση 20 m μεταξύ τους. Τα δεδομένα που συλλέγονται από τον ανιχνευτή ORCA αποστέλλονται στον παράκτιο σταθμό στο La Seyne Sur Mer.
Οι διαστάσεις του KM3NeT, που τελικά περιλαμβάνει όγκο περίπου ενός κυβικού χιλιομέτρου με συνολικά περίπου 200.000 φωτοπολλαπλασιαστές, μαζί με τη θέση του στην άβυσσο της Μεσογείου, δείχνει τις τεράστιες προσπάθειες που απαιτούνται για την προώθηση της αστρονομίας των νετρίνων και της σωματιδιακής φυσικής.
Η ανίχνευση του νετρίνου με ενέργεια 220 PeV ήταν το αποτέλεσμα μιας τεράστιας συλλογικής προσπάθειας μεταξύ πολλών διεθνών ομάδων μηχανικών, τεχνικών και επιστημόνων (Πιο συγκεκριμένα, η ερευνητική ομάδα KM3NeT συνίσταται πάνω από 360 επιστήμονες, μηχανικούς, τεχνικούς και φοιτητές 68 ιδρυμάτων από 21 χώρες σε όλο τον κόσμο).
Το νετρίνο ενέργειας 220 PeV, ίσως προέρχεται απευθείας από έναν ισχυρό κοσμικό επιταχυντή. Εναλλακτικά, θα μπορούσε να είναι η πρώτη ανίχνευση ενός κοσμογονικού νετρίνου. Όμως, με βάση αυτό το μεμονωμένο νετρίνο είναι δύσκολο να συμπεράνουμε για την προέλευσή του. Οι μελλοντικές παρατηρήσεις θα επικεντρωθούν στον εντοπισμό περισσότερων τέτοιων γεγονότων για να δημιουργηθεί μια ολοκληρωμένη εικόνα. Η συνεχιζόμενη επέκταση του ανιχνευτή KM3NeT με πρόσθετες μονάδες ανίχνευσης και η απόκτηση πρόσθετων δεδομένων θα βελτιώσει την ευαισθησία του και θα ενισχύσει την ικανότητά του να εντοπίζει κοσμικές πηγές νετρίνων.
