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 χλμ ανά ώρα
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».
Τι είναι όμως τα νετρίνα, τα οποία θεωρούνται τα πιο μυστηριώδη στοιχειώδη
σωματίδια;
Τα κοσμικά νετρίνα είναι εξαιρετικά υψηλής ενέργειας νετρίνα που προέρχονται
από πηγές πέρα από το ηλιακό μας σύστημα, συχνά από απομακρυσμένα αστροφυσικά
γεγονότα. Αυτά τα νετρίνα είναι ένα βασικό στοιχείο των κοσμικών ακτίνων, οι
οποίες είναι σωματίδια υψηλής ενέργειας, τα οποία ταξιδεύουν μέσα στο
διάστημα.
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.
Τι σημαίνει η ανίχνευση του νετρίνου με τη μεγαλύτερη ενέργεια που έχει
καταγραφεί
Η ανίχνευση ενός υψηλής ενέργειας κοσμικού νετρίνο είναι ένα σημαντικό
επίτευγμα στην αστροφυσική και στη φυσική των σωματιδίων. Σημαίνει την
ανίχνευση ενός νετρίνο που έχει εξαιρετικά υψηλή ενέργεια, συνήθως στην
κλίμακα μερικών τεραηλεκτρονικών βολτ (TeV) ή και υψηλότερα. Αυτά τα νετρίνα
θεωρείται ότι προέρχονται από εξαιρετικά ισχυρές και απομακρυσμένες
αστροφυσικές πηγές, όπως οι ενεργοί γαλαξιακές πυρήνες, τα υπολείμματα
σουπερνόβα ή οι εκρήξεις ακτίνων-γάμμα, όπου βίαια γεγονότα παράγουν πολύ
υψηλής ενέργειας σωματίδια.
Ακολουθούν οι λόγοι για τους οποίους η ανίχνευση ενός υψηλής ενέργειας
κοσμικού νετρίνο είναι σημαντική:
1. Νέα πληροφορία για το Σύμπαν
Τα υψηλής ενέργειας κοσμικά νετρίνα παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για
αστροφυσικά φαινόμενα που δεν είναι ανιχνεύσιμα με κανονικά τηλεσκόπια. Επειδή
τα νετρίνα αλληλεπιδρούν πολύ αδύναμα με την ύλη, μπορούν να ταξιδεύουν
μεγάλες αποστάσεις χωρίς να απορροφώνται ή να διασκορπίζονται, μεταφέροντας
πληροφορίες από την πηγή τους απευθείας στη Γη. Αυτό επιτρέπει στους
επιστήμονες να μελετούν φαινόμενα σε απομακρυσμένα μέρη του σύμπαντος που
είναι αλλιώς κρυμμένα από κοσμική σκόνη ή μαγνητικά πεδία.
2. Κατανόηση ακραίων αστροφυσικών πηγών
Αυτά τα νετρίνα θεωρείται ότι παράγονται από μερικά από τα πιο αξιοσημείωτα
γεγονότα στο σύμπαν. Με την ανίχνευσή τους, οι επιστήμονες μπορούν να μάθουν
περισσότερα για τις συνθήκες και τα περιβάλλοντα αυτών των πηγών. Για
παράδειγμα, ένα υψηλής ενέργειας κοσμικό νετρίνο θα μπορούσε να προέρχεται από
μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στο κέντρο ενός απομακρυσμένου γαλαξία ή από τα
«κρουστικά κύματα» μιας έκρηξης σουπερνόβα.
3. Εξέταση θεμελιωδών φυσικών Νόμων
Τα νετρίνα είναι στοιχειώδη σωματίδια με πολύ μικρή μάζα και είναι πολύ
δύσκολο να μελετηθούν επειδή αλληλεπιδρούν αδύναμα με άλλα σωματίδια. Η
ανίχνευσή τους ανοίγει τη δυνατότητα να μάθουμε περισσότερα για τους
θεμελιώδεις νόμους της φυσικής. Για παράδειγμα, η κατανόηση της συμπεριφοράς
των νετρίνων σε ακραία περιβάλλοντα μπορεί να προσφέρει γνώσεις για φαινόμενα
όπως οι νετρονικές ταλαντώσεις (ο τρόπος με τον οποίο τα νετρίνα αλλάζουν
τύπους καθώς ταξιδεύουν) ή ακόμα και για νέους νόμους της φυσικής πέρα από το
Καθιερωμένο Μοντέλο.
4. Αναγνώριση Κενών στην Έρευνα Κοσμικών Ακτίνων
Τα υψηλής ενέργειας κοσμικά νετρίνα συχνά συνδέονται με υψηλής ενέργειας
κοσμικές ακτίνες. Οι κοσμικές ακτίνες είναι φορτισμένα σωματίδια, και ενώ οι
προελεύσεις τους μελετώνται με παραδοσιακά τηλεσκόπια, τα φορτισμένα σωματίδια
μπορούν να αποκλίνουν από τα μαγνητικά πεδία, καθιστώντας δύσκολη την
παρακολούθησή τους στην πηγή τους. Τα νετρίνα, από την άλλη, είναι ουδέτερα
και ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή από την προέλευσή τους, παρέχοντας σαφή
"ίχνη" για την πηγή προέλευσής τους.
Πηγή: physicsgg.me, Nature, Wikipedia