To zmusza naukowców, żeby przemyśleć, jak działają naturalne fabryki cząstek w ciałach niebieskich. Badania międzynarodowego zespołu KM3NeT - również z Polski - opublikowano w lutym w Nature. 

NEUTRINO MUSI ZGINĄĆ

Neutrina to niezwykłe cząstki - są jak podróżnicy z dalekiego kosmosu, na których nie robi wrażenia niemal nic, co mijają. Śmigają bez przeszkód po pustych przestrzeniach pomiędzy cząstkami budującymi Wszechświat i nie przejmują się niczym.

My, ludzie, doświadczamy świata przez oddziaływania elektromagnetyczne. To one sprawiają, że ręka, którą uderzamy o stół nie przechodzi przez drewno, ale zatrzymuje się z hukiem na blacie, nawet jeśli żaden z atomów naszej ręki nie trafi bezpośrednio w żaden atom stołu. Tymczasem neutrinom obojętne są te właśnie oddziaływania elektromagnetyczne. Dlatego ci kosmiczni samotnicy płyną na przestrzał przez galaktyki, gwiazdy, planety, góry, morza, nasze ciała… Nie widzą przeszkód, a przeszkody - nie widzą ich.

Z pewnymi drobnymi wyjątkami. Bo czasem takie beztroskie neutrino na swojej "pustej" drodze trafia jednak tak blisko innej cząstki, że do gry wchodzą inne oddziaływania - słabe - do których neutrina czują już respekt. I wtedy pyk, już po neutrinie. Ten ginący odludek uwalnia jednak cząstki już znacznie bardziej zdolne do współpracy - zwykle miony (to bardziej masywni kuzyni elektronów).

Neutrino ma pecha, bo ginie, ale dla naukowców - gratką jest nagrać taki wypadek (trochę jak dla pozbawionego skrupułów kamerzysty - amatora wypadków samochodowych z filmu "Nightcrawler"). Takie zderzenie to jedyna okazja, żeby zdobyć jakieś informacje o naturze neutrin, a może i miejscu, z którego przybywają ci kosmiczni podróżnicy.

EGZOTYCZNE MIEJSCA, GDZIE NIC SIĘ NIE DZIEJE

Dlatego naukowcy prześcigają się w dziwnych pomysłach, jak takie ginące neutrina zauważyć. Szukają "najnudniejszych" miejsc na Ziemi, gdzie z rzadka zapędzają się zwykłe, "gadatliwe" cząstki z atmosfery czy z kosmosu. Najlepiej, żeby nie było tam nic, co odciąga uwagę od śmierci zabłąkanych neutrin.

Dlatego obserwatoria neutrin umieszczono: w tunelu we wnętrzu góry (Gran Sasso), w ogromnych sztucznych zbiornikach wody pod Ziemią (Kamioka), w lodach Antarktydy (IceCube). I wreszcie - w otchłani morza (KM3NeT).

POSZUKIWACZE Z ZATOPIONEJ ARKI

Podwodne obserwatorium neutrin ARCA w ramach eksperymentu KM3NeT nie przypomina tradycyjnych teleskopów. "Detektory zatopione są 3,5 km pod powierzchnią morza, niedaleko Sycylii. To zakotwiczone w dnie pionowe struny, na których wiszą czujniki światła z fotopowielaczami, które zamieniają światło na napięcie elektryczne" - tłumaczy PAP uczestnik badań dr inż. Piotr Kalaczyński z CAMK i AGH. Jest 230 takich strun rozstawionych co 100 metrów, każda ma po 700 m długości i wyposażona jest w 18 zestawów czujników.

Zadaniem tych sensorów jest wypatrywanie w wodzie błysków światła. Chodzi o tzw. promieniowanie Czerenkowa. To w uproszczeniu światło uwalniane przez atomy tworzące wodę, jeśli pobudzi je jakaś energetyczna cząstka.

ŚWIATEŁKO NA DNIE MORZA

Piotr Kalaczyński tłumaczy, że w obserwatorium ARCA na dnie morza, gdzie światło słoneczne już nie dociera, częstym źródłem błysków jest bioluminescencja - światło tworzone przez mieszkające w morzu organizmy. Widać też błyski związane z naturalną radioaktywnością, zdominowaną głównie przez izotop potasu-40Sporo światła uwalniają też pochodzące z atmosfery miony. Sygnały z neutrin są od nich tysiące razy rzadsze i zdarzają się co jakiś czas, a ciekawsze przypadki - raz na kilka dni" - opisuje.

Neutrin kosmicznego pochodzenia nie powstrzymuje Ziemia ani woda, więc nadlecieć mogą do obserwatorium z każdego możliwego kierunku. Mocne błyski z dziwnych stron są więc od razu brane na warsztat.

I tak właśnie było z neutrinem, które zaobserwowano 13 lutego 2023 r. Czujniki detektora ARCA zarejestrowały błysk światła, który przeleciał pomiędzy nimi w miarę poziomo Nazwano je, niezbyt czule KM3-230213A, ale było ono najbardziej energetycznym neutrinem, które kiedykolwiek zostało zaobserwowane. "To coś, co jest rząd czy dwa rzędy w wielkości wyżej od neutrin, które do tej pory obserwowaliśmy" - mówi fizyk. Energia tego rekordowego neutrina wyniosła 220 petaelektronowoltów, a więc tysiące razy więcej niż energia zderzeń w CERN, gdzie w osiągnięto 14 teraelektronowoltów (tera- to tysiąc miliardów, a peta- to tysiąc tera-).

"To tak nietypowa obserwacja, że będziemy potrzebowali skorygować obecne modele produkcji neutrin" - ocenia dr Kalaczyński.

No bo skąd do nas przybył kosmiczny tułacz? "To neutrino na pewno nie pochodziło z naszej Galaktyki" - komentuje badacz. Tłumaczy, że neutrino to mogło przylecieć do nas z któregoś z aktywnych jąder innych galaktyk - tzw. blazarów. Jest trzech potencjalnych kandydatów.

Drugą możliwością jest to, że błysk to tak zwane neutrino kosmogeniczne, które powstaje z oddziaływania fotonów w ultraenergetycznymi cząstkami promieniowania kosmicznego.

W ramach eksperymentu KM3NeT pracuje 360 osób z 21 krajów. Polskę reprezentują w projekcie specjaliści z AGH oraz CAMK PAN i NCBJ,

Rozmówca zdradza, że polski zespół w ramach KM3NeT pracuje teraz m.in. nad tym, by rozpoznawać odgłosy towarzyszące wejściu neutrin w wodę. ARCA wyposażona jest bowiem w hydrofony zbierające dźwięki z morza. Dźwięki tymczasem niosą się w wodzie na duże odległości. Poza dźwiękami delfinów i morskich stworzeń, być może urządzenia te zbierają informacje o kosmicznych odludkach. Warto byłoby zrobić z tego użytek.

Projekt „AstroCeNT — Centrum naukowo-technologiczne astrofizyki cząstek” jest realizowany w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze (MAB) Fundacji na rzecz Nauki Polskiej

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ agt/