Под волнами Средиземного моря европейский телескоп KM3NeT ведёт космическую охоту.
Высокие струны датчиков тянутся на километр до морского дна, образуя обширную трёхмерную сетку.
Его миссия — уловить призрачные субатомные частицы, называемые нейтрино. Это посланники, которые могут беспрепятственно путешествовать по Вселенной — даже через планеты и звёзды — неся с собой разгадки событий, происходящих далеко за пределами нашей Солнечной системы.
Ранним утром 13 февраля 2023 года KM3NeT зафиксировал нечто поразительное. Интенсивная вспышка чистой энергии сигнализировала о появлении самого энергитичного нейтрино, когда-либо наблюдавшегося — в 30 раз выше, чем любые предыдущие записи. С тех пор учёные пытаются выяснить, откуда оно взялось.
Нейтрино: частицы-призраки
Нейтрино были впервые теоретически предсказаны в 1930-х годах и обнаружены спустя десятилетия. Они являются одними из самых распространённых частиц во Вселенной, но в то же время самыми неуловимыми.
Каждую секунду миллиарды нейтрино проходят через наши тела, не оставляя следа. У них нет электрического заряда и почти нет массы — по крайней мере, в миллион раз легче электрона — и они редко взаимодействуют с материей, что делает их чрезвычайно трудными для обнаружения. Именно эта призрачная природа делает их столь интересными для физиков.
«Нейтрино — это самые интересные частицы на данный момент, — сказал Паскаль Койл из Французского национального центра научных исследований, который координирует проект KM3NeT-INFRADEV2, поддерживающий развитие инфраструктуры KM3NeT. — Вокруг них много загадок. Они наименее изучены из фундаментальных частиц».
Истоки Вселенной
Поскольку нейтрино могут пересекать Вселенную, не поглощаясь, они несут первозданную информацию из самых экстремальных сред, известных науке: взрывающихся звёзд, чёрных дыр и космических столкновений. Изучение их может раскрыть, как работает Вселенная — и даже объяснить, почему материя вообще существует.
«Нейтрино — это самое близкое к пустоте, что мы можем себе представить, но они являются ключом к полному пониманию работы Вселенной», — сказал Койл.
Как работает KM3NeT
Иногда нейтрино сталкиваются с атомным ядром, создавая поток вторичных частиц. В плотном, прозрачном материале, таком как лёд или вода, это столкновение вызывает слабое голубое свечение, известное как излучение Черенкова. Датчики KM3NeT предназначены для улавливания этого сигнала.
Этот подход используется и другими обсерваториями нейтрино, такими как IceCube в Антарктиде и Super-Kamiokande в Японии. IceCube сканирует глубинный полярный лёд, в то время как KM3NeT изучает тёмные воды Средиземного моря.
KM3NeT: европейская исследовательская инфраструктура
KM3NeT — одна из флагманских исследовательских инфраструктур Европы и один из самых амбициозных физических проектов в мире. При поддержке международного консорциума с финансированием ЕС и национальным финансированием он состоит из двух отдельных установок:
* ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss), расположенная у побережья Сицилии, предназначена для отслеживания высокоэнергетических нейтрино из глубокого космоса.
* ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), расположенная недалеко от Тулона во Франции, фокусируется на поведении нейтрино и их массе.
Каждая установка построена из вертикальных линий стеклянных сфер размером с баскетбольный мяч, содержащих сверхчувствительные оптические датчики. Эти линии поднимаются со дна моря, как подводные небоскрёбы, простираясь на километр в темноту.
«Это казалось сумасшедшей идеей — построить детектор на дне моря для ловли этих очень странных частиц, — сказал Аарт Хейджбер, старший физик Нидерландского национального института субатомной физики, который помогал проектировать телескоп. — Это захватило моё воображение».
Открытие 2023 года
Нейтрино, обнаруженное в 2023 году, названное KM3-230213A, зарегистрировало энергетический заряд в 220 петаэлектронвольт (PeV) — необычайно большая цифра для одной частицы и почти немыслимая в физике элементарных частиц.
«Мы не ожидали обнаружить такое событие, — сказал Койл. — Нам пришлось переделать множество симуляций».
Происхождение этого нейтрино остаётся загадкой. Нейтрино производятся различными источниками, от ядерных реакций, питающих Солнце, до взрывающихся звёзд (сверхновых) и других космических событий с высокой энергией. Одна из теорий предполагает, что наиболее энергитичные нейтрино происходят из блазаров — активных галактик, чьи сверхмассивные чёрные дыры выбрасывают струи энергии прямо на Землю.
Другая возможность заключается в том, что высокоэнергетические космические лучи, пронизывающие Вселенную, сталкиваются с фотонами света, генерируя нейтрино. Если KM3-230213A была создана таким образом, это будет означать, что космогенные нейтрино более распространены, чем ожидалось.
«Или нам просто повезло, — признаётся Койл. — Возможно, KM3NeT удалось случайно обнаружить редкое нейтрино с очень высокой энергией».
Исследователи уточняют расчёты, чтобы определить точное происхождение нейтрино. «В ближайшие месяцы у нас будет гораздо более точное измерение его направления, — сказал Хейджбер. — Если оно исходит из блазара, это будет очень интересно. Если оно космогенное, это также будет интересно».
Пока ARCA ищет источник самых мощных частиц во Вселенной, ORCA фокусируется на том, как нейтрино меняют свою идентичность, или колеблются, между тремя различными «ароматами» — электронным, мюонным и тау — по мере того, как они путешествуют в космосе.
Эти колебания могут раскрыть порядок масс нейтрино, недостающий элемент в Стандартной модели физики — теории, описывающей фундаментальные частицы материи. Порядок масс относится к последовательности трёх состояний масс нейтрино от самого лёгкого к самому тяжёлому.
Понимание нейтрино может объяснить, почему существует что-то, а не ничто. После Большого взрыва 13,7 миллиарда лет назад материя и антиматерия должны были уничтожить друг друга, оставив только пустое пространство. Однако материя выжила. Нейтрино могут содержать ключ к разгадке, особенно если они окажутся собственными античастицами — возможность, которую учёные стремятся проверить.
«Все эксперименты, которые пытаются измерить разницу между нейтрино и антинейтрино, сбиты с толку, потому что они не знают, каков порядок масс, — объяснил Койл. — Это важный вклад в выяснение того, почему существует больше материи, чем антиматерии».
Построив KM3NeT, Европа обеспечила себе ведущую роль в этом глобальном научном начинании. Уже сейчас эти инвестиции окупаются с обнаружением, подобным KM3-230213A, и ожидается, что по мере расширения телескопа будут сделаны новые открытия.
«Мы не знаем их массу, мы не знаем их порядок масс, мы не знаем, являются ли они своими собственными античастицами, — сказал Койл. — Так что нейтрино — это то, что сейчас в тренде».
С тысячами датчиков, которые ещё предстоит развернуть, KM3NeT не только укрепляет роль Европы в фундаментальных исследованиях, но и прислушивается к некоторым из самых слабых сигналов в природе.
Каждый всплеск света глубоко под Средиземным морем может содержать сообщение о рождении Вселенной или даже ключ к разгадке того, почему существует что-то, а не ничто.