Подводный телескоп ARCA, входящий в состав международного проекта Km3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope), зарегистрировал нейтрино с самой высокой энергией среди всех ранее зафиксированных. Его энергия составляет приблизительно 220 пета-электронвольт (ПЭВ), что эквивалентно 220 квадриллионам электронвольт. Зарегистрированное событие, обозначенное как KM3-230213A, является значительным достижением в исследовании этих трудноуловимых частиц и их источника в космосе.
В открытии приняли участие ученые из различных международных институтов, и оно представляет собой значимое событие, поскольку является первым подтверждением существования нейтрино с необычайно высокими энергиями, которые ранее не были зафиксированы. Обнаружение произошло 13 февраля 2023 года, однако для проверки и анализа полученных данных потребовалось несколько месяцев, прежде чем 12 февраля 2025 года можно было с уверенностью объявить о результатах.
Обнаружение нейтрино стало возможным благодаря использованию сложных приборов ARCA, расположенных на глубине 3450 метров в водах у берегов Сицилии. Итальянская сторона участвует в проекте через Национальный институт ядерной физики (INFN), а Национальный институт астрофизики (INAF), имеющий филиалы в Палермо и Катании, вовлечен в проект PNRR, который связан с KM3NeT (в рамках KM3NeT4RR).
Нейтрино, частица-фантом
Нейтрино — нейтрино — это субатомные частицы, относящиеся к лептонам и отличающиеся крайне малой массой и полным отсутствием электрического заряда. Благодаря этому они практически не подвержены воздействию сильных электромагнитных и ядерных сил, взаимодействуя лишь посредством слабых ядерных сил и гравитации. В связи с этим нейтрино легко проникают сквозь материю: ежесекундно через нас проходят миллиарды частиц, не оказывая заметного воздействия.
Нейтрино, несмотря на их сложность в обнаружении, имеют огромное значение для нашего представления о Вселенной. Эти частицы обильно генерируются в ходе ядерных реакций, протекающих внутри звезд, в частности, в процессах термоядерного синтеза, которые обеспечивают энергией Солнце. Кроме того, они возникают во время экстремальных астрофизических явлений, таких как взрывы сверхновых и слияние нейтронных звезд. Также нейтрино образуются в результате радиоактивного распада на Земле и в ядерных реакторах.
Их исследование уже привело к ряду важных открытий в физике. В частности, наблюдение колебаний нейтрино стало одним из самых значительных результатов, поскольку продемонстрировало, что эти частицы обладают массой, пусть и крайне малой. Это противоречит изначальным предсказаниям Стандартной модели.
Нейтрино с энергией 220 ПэВ
13 февраля 2023 года европейский подводный телескоп Km3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope) зафиксировал событие KM3-230213A с помощью своей секции ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss). ARCA, предназначенный для регистрации высокоэнергетических нейтрино, находится на глубине 3450 метров в Средиземном море, вблизи Портопало ди Капо Пассеро, Сицилия.
Обсерватория не осуществляет непосредственное наблюдение за нейтрино. Для этого используются сферические оптические модули, каждый из которых содержит высокочувствительные фотоумножители, предназначенные для фиксации слабых вспышек черенковского излучения. Это излучение возникает, когда вторичные заряженные частицы, возникающие в результате взаимодействия нейтрино с окружающей средой, движутся в воде быстрее скорости света в ней. Анализ полученных сигналов позволяет ученым определить направление и энергию исходного нейтрино.
Событие характеризуется исключительно высокой энергией, составляющей 220 ПэВ, что в 30 раз превышает энергию самых мощных космических нейтрино, зафиксированных на текущий момент. Такие нейтрино классифицируются как UHE-нейтрино (от Ultra High Energy – ультравысокоэнергетические). Для сопоставления, энергия нейтрино, генерируемых на Солнце, составляет около нескольких МэВ (миллион электрон-вольт), а нейтрино, зарегистрированные телескопом IceCube в Антарктиде, достигают максимума в несколько ПэВ. Факт обнаружения нейтрино с энергией 220 ПэВ свидетельствует о его связи с крайне экстремальными астрофизическими объектами, к которым могут относиться блазары и активные галактические ядра.
Чтобы подтвердить это событие, потребовались месяцы анализа, направленные на отделение значимого сигнала от случайных колебаний и установление его источника. Нейтрино с такой высокой энергией открывают прямое окно в космические процессы, которые ранее были недоступны для изучения с помощью других методов.
Последствия и перспективы
Обнаружение нейтрино с предельно высокой энергией поднимает новые вопросы о его источнике и о процессе, который привел к разгону частиц до таких значений. Астрофизические источники ультраэнергетических нейтрино остаются предметом изучения. До сих пор лишь небольшое количество событий удалось достоверно связать с конкретным источником.
Среди потенциальных источников таких нейтрино выделяются активные галактические ядра (АГЯ) – области в центрах галактик, где сверхмассивные черные дыры активно поглощают вещество. Генерация высокоэнергетичных нейтрино может быть обусловлена взаимодействием частиц в релятивистских струях, излучаемых АГЯ. Альтернативные сценарии включают столкновения космических лучей с межзвездной средой или испарение экзотических объектов, например, космических струн.
Изучение физики за пределами Стандартной модели представляет собой еще один значительный аспект. Высокая энергия нейтрино KM3-230213A может предоставить информацию о неизвестных физических процессах, таких как новые взаимодействия или гипотетические частицы, которые предсказываются теориями, выходящими за рамки Стандартной модели.
Данное открытие также подтверждает действенность подводных телескопов, например ARCA, в поиске нейтрино с экстремально высокими энергиями и предоставляет полезные данные для обсерваторий, таких как IceCube. Ожидается, что после завершения строительства KM3NeT и модернизации существующих детекторов, будет накоплено больше информации, что позволит с большей вероятностью установить источники этих нейтрино. Запланировано создание полноценной нейтринной астрономии, которая будет расширять возможности традиционной и многоместной астрономии.
Ознакомиться с исследованием, которое было опубликовано в журнале Nature, можно .