Високоенергетичні частинки постійно бомбардують Землю, але вчені виявили справжній феномен: нейтрино, що прилетів із глибин космосу з енергією, яка значно перевищує всі попередні спостереження.
13 лютого 2023 року підводний детектор біля узбережжя Сицилії зафіксував рекордну подію – нейтрино з енергією 220 петаелектронвольт (ПеВ). Для порівняння, попередній рекорд становив лише 10 ПеВ.
Лише небагато астрономічних об’єктів здатні прискорювати частинки до таких екстремальних енергій – серед них наднові або чорні діри. Одним із можливих джерел може бути блазар – активна надмасивна чорна діра, що випромінює потужний струмінь випромінювання прямо в напрямку Землі.
Однак, враховуючи безпрецедентний рівень енергії, існує ймовірність, що це перше виявлене космогенне нейтрино – частинка, яка утворилася в результаті взаємодії космічних променів із фотонами реліктового випромінювання, що залишилося після Великого вибуху.
Нейтрино – це елементарні частинки без електричного заряду та з надзвичайно малою масою, яка довгий час вважалася нульовою. Мільярди таких частинок щосекунди пронизують наші тіла, але взаємодіють із матерією настільки рідко, що ми цього не помічаємо.
Через це нейтрино дуже складно виявити. Для цього необхідно використовувати великі об’єми води або льоду та спостерігати за ними за допомогою тисяч чутливих детекторів, що можуть зафіксувати характерні спалахи світла.
Рекордне нейтрино було виявлене однією з двох установок Кубічного кілометрового телескопа нейтрино (KM3NeT), розташованою на глибині 3 450 метрів у Середземному морі. Там 378 модулів із 31 світлочутливим датчиком у кожному реєструють спалахи світла, що виникають у результаті проходження нейтрино.
Під час події 2023 року було зафіксовано понад 28 000 фотонів, коли заряджені частинки, утворені нейтрино, перетнули весь об’єм детектора. Частинки пройшли майже горизонтально, що означає, що нейтрино пройшло через товщу земної кори та води, перш ніж зіткнулося з атомом у полі зору KM3NeT.
Саме світло було випромінене іншим елементарним зарядженим зарядом – мюоном, який утворився в каскаді взаємодій. Енергія цього мюона оцінюється приблизно у 120 ПеВ, що є неймовірно високим значенням для таких частинок. Однак це ніщо в порівнянні з його материнською частинкою.
Яке ж джерело могло запустити нейтрино з такою небаченою енергією? Оскільки ці частинки майже не взаємодіють із матерією, вони можуть долати величезні відстані без перешкод, що ускладнює визначення їхнього походження.
Команда вчених розглядала чотири можливі гіпотези щодо регіону неба, звідки прилетіло нейтрино. Воно могло походити з нашої галактики, з-за її меж, але все ще в межах місцевого Всесвіту, бути наслідком короткочасної події, такої як гамма-спалах, або ж мати походження з далекої галактики.
Жоден об’єкт у тому напрямку не підходив під перші три варіанти, що залишило лише позагалактичні джерела, серед яких домінують активні надмасивні чорні діри. Враховуючи виняткову енергію цього нейтрино, його джерелом міг бути дуже активний об’єкт, наприклад, блазар.
Подальші спостереження в різних діапазонах електромагнітного спектра дозволили ідентифікувати 12 потенційних блазарів, які могли бути джерелом нейтрино. Однак вчені підкреслюють, що ці зв’язки поки що не є переконливими і потребують подальшого вивчення.
Ще одна гіпотеза передбачає, що нейтрино могло утворитися внаслідок космогенного процесу – взаємодії високоенергетичних космічних променів із реліктовим випромінюванням або міжгалактичним світлом.
Якщо це так, то це буде перший задокументований випадок виявлення космогенного нейтрино. Для розгадки цієї таємниці знадобляться подальші дослідження.
Дослідження було опубліковане в журналі Nature.
