Научници открили „сабласну честицу“ највеће енергије до сада виђене – одакле је дошла

Астрономи који користе џиновску мрежу сензора, која је још у изградњи на дну Средоземног мора, пронашли су космичку „сабласну честицу“ највеће енергије до сада откривену.

Неутрино, како је честица формално позната, има енергију 30 пута већу од било ког од неколико стотина раније откривених неутрина.
Ове сићушне честице високе енергије из свемира често се називају „сабласним“ јер су изузетно несталне или испарљиве и пролазе кроз било коју врсту материје без промене.

Неутрини, који на Земљу стижу из далеких крајева космоса, готово да немају масу. Честице путују кроз најекстремнија окружења, укључујући звезде, планете и читаве галаксије, а ипак њихова структура остаје нетакнута.

Анализа неутрина чији је аутор KM3NeT Collaboration, која укључује више од 360 научника из целог света, објављена је у среду у часопису Нејчер.

„Неутрини… су специјални космички гласници, који нам доносе јединствене информације о механизмима укљученим у најенергетскије феномене и омогућавају нам да истражимо најудаљеније крајеве Универзума“, рекла је коауторка студије Роза Кониљоне, заменик портпарола KM3NeT и истраживач на италијанском ИНФН Националном институту за нуклеарне науке.

Рекордни неутрино, назван КМ3-230213А, имао је енергију од 220 милиона милијарди електрон-волти. Ова запањујућа количина чини га око 30.000 пута моћнијим од онога за шта је способан акцелератор честица Великог хадронског сударача у Европској организацији за нуклеарна истраживања (ЦЕРН) у близини Женеве у Швајцарској – познат по суперпуњењу честица до брзине светлости, истичу аутори студије.

„Један начин на који волим да размишљам о томе је да је енергија овог појединачног неутрина еквивалентна енергији ослобођеној цепањем не једног атома уранијума, или десет таквих атома, или чак милион њих“, рекао је коаутор студије др Бред К. Гибсон у изјави за Си-Ен-Ен. „Овај мали неутрино имао је толико енергије колико и енергија ослобођена цепањем једне милијарде атома уранијума... запањујући број када упоредимо енергије наших нуклеарних фисионих реактора са овим једним етеричним неутрином.“

Честица пружа неке од првих доказа да се такви високоенергетски неутрини могу створити у универзуму. Тим верује да је неутрино дошао изван галаксије Млечни пут, али тек треба да идентификују његову тачну тачку порекла, што поставља питање шта је створило неутрино и послало га да лети кроз космос – можда и кроз екстремно окружење као што је супермасивна црна рупа, експлозија гама зрака или остатак супернове.

Револуционарна детекција отвара ново поглавље неутрина у астрономији, као и нови прозор за посматрање свемира, рекао је коаутор студије Паскал Којл, портпарол KM3NeT и истраживач у Центру за физику честица у Марсељу.

„KM3NeT је почео да истражује низ енергија и осетљивости где откривени неутрини могу да потичу од екстремних астрофизичких феномена“, напомиње Којл.

Светлост у океану

Неутрине је тешко открити јер често не ступају у интеракцију са својом околином – али имају интеракцију са ледом и водом. Када неутрини ступају у директну интеракцију са детекторима, они зраче плавичасто светло које може да ухвати оближња мрежа дигиталних оптичких сензора уграђених у лед или уроњених у воду.

На пример, „АјсКјуб“ Неутрино опсерваторија на Јужном полу укључује мрежу од више од 5.000 сензора уграђених у антарктички лед. Детектор ради од 2011. године, а открио је стотине неутрина. Научници су успели да прате неке од њих до њихових космичких извора, као што је блазар или усијано језгро активне галаксије.

Међународни тим је почетком 2010-их осмислио идеју о мрежи детектора – познатих као Кубни километар неутрино телескоп, или KM3NeT – који би могли да покупе неутрине у дубинама океана. Инсталација мреже почела је 2015. године.

KM3NeT је направио рекордно откриће 13. фебруара 2023. године, када је честица осветлила један од своја два детектора. ARCA, или истраживање астрочестица са космицима у понору, на дубини од 3.450 метара, док је ORCA, или истраживање осцилација са космицима у понору, на дубини од 2.450 метара на дну Средоземног мора.

ARCA детектор, код сицилијанске обале у близини Капо Пасера, у Италији, дизајниран је да ухвати високоенергетске неутрине, док је ORCA, у близини Тулона у југоисточној Француској, намењен потрази за нискоенергетским неутринама.

KM3NeT, који укључује мрежу сензора усидрених за морско дно, и даље се гради. Али довољно детектора је било на месту да покупе неутрин високе енергије, истичу аутори студије.

ARCA детектор је радио са само 10% планираних компоненти на месту када је  пратила скоро хоризонталну путању честице кроз цео телескоп, дајући сигнале у више од једне трећине активних сензора. Детектор је забележио преко 28.000 фотона светлости произведених од наелектрисане честице.

Мистериозно, моћно порекло

Ако би енергија унутар неутрина била претворена у нама блиско разумевање, износила би 0,04 џула, или енергија пинг-понг лоптице која је пала са висине од један метар, објашњава коаутор студије Арт Хејбор, координатор за физику у KM3NeT-у и професор на Холандском националном институту за субатомску физику и Универзитету у Амстердаму.

Та количина енергије би могла да напаја мало ЛЕД светло на око једну секунду. „Дакле, то није велика количина енергије, али чињеница да је таква аналогија са свакодневним светом уопште могућа је сама по себи изузетна. Сва ова енергија била је садржана у једној јединој, елементарној честици“, истиче Хејбор.

На скали честица, неутрино се сматра ултра-енергетским, са отприлике милијарду пута већом енергијом од фотона видљиве светлости, према ауторима студије.

Откривање неутрина на Земљи омогућава истраживачима да их прате до њихових извора. Разумевање одакле долазе ове честице могло би да открије више о пореклу мистериозних космичких зрака, за које се дуго сматрало да су примарни извор неутрина када зраци ударе у Земљину атмосферу.

Најснажније честице у универзуму, космички зраци бомбардују Земљу из свемира. Ови зраци се углавном састоје од протона или атомских језгара, и ослобађају се широм универзума јер шта год да их производи толико је моћан акцелератор честица да превазилази могућности Великог хадронског сударача. Неутрини би могли да помогну астрономима да открију одакле долазе космички зраци и шта их покреће широм универзума.

Истраживачи верују да је нешто снажно ослободило новопронађени неутрино, као што је експлозија гама зрака или интеракција космичких зрака са фотонима из космичке микроталасне позадине, што је заостало зрачење од Великог праска пре 13,8 милијарди година.

Током студије, аутори су такође идентификовали 12 потенцијалних блазара који би могли бити одговорни за стварање неутрина. Блазари су компатибилни са процењеним правцем из којег је честица путовала, на основу података које су прикупили детектори и унакрсни подаци са гама-зрака, рендгенских и радио телескопа. Али потребно је више истраживања.

„Многа открића космичких неутрина не успевају да покажу снажну корелацију са каталогизованим објектима, можда указују на изворне популације које су веома удаљене од Земље, или наговештавајући још неоткривену врсту астрофизичког објекта“, напомиње Ерик К. Блауфус, научник-истраживач и астрофизичар честица на одсеку за физику Универзитета у Мериленду који није био укључен у студију.

„Иако ће за потпуно разумевање порекла овог догађаја бити потребно време, то остаје изванредна порука добродошлице за КМ3НеТ“, додаје Блауфус.