کشف پرانرژی‌ترین نوترینوی شناخته‌شده روی زمین در اعماق دریای مدیترانه

فیزیکدانان پرانرژی‌ترین ذره شبح‌وار آشکار‌شده روی زمین را که نسبت به نوترینوهای قبلی تقریبا ۱۰۰ برابر انرژی بیشتر دارد، ، کشف کرده‌اند. این ذره که به‌طور لحظه‌ای روی آشکارسازی درون تلسکوپ KM3NeT در کف دریای مدیترانه چشمک زد، نوترینویی با انرژی تخمینی ۲۲۰ کوادریلیون الکترون‌ولت، یعنی ۱۰۰ برابر پرانرژی‌تر از نوتریتویی است که قبلا شناسایی شده بود. پژوهشگران یافته‌های خود را ۱۲ فوریه در مجله نیچر منتشر کردند.

مسیر حرکت و میزان انرژی ذره‌ی کشف‌شده بدان معنا است که احتمالا از یک پرتو کیهانی (ذرات زیراتمی مانند پروتون‌ها یا الکترون‌ها که با سرعت بالا در سراسر کیهان پرتاب شده‌اند) آمده است. اما ماهیت رویداد فاجعه‌باری که این ذره بسیار پرانرژی را تولید کرده، همچنان در حد معما باقی مانده است.

رزا کونیگلیون، پژوهشگر مؤسسه ملی فیزیک هسته‌ای ایتالیا و از مسئولین اطلاع‌رسانی درمورد اکتشافات تلسکوپ KM3NeT گفت: «نوترینوها از اسرارآمیزترین ذرات بنیادی هستند. آن‌ها هیچ بار الکتریکی و تقریبا هیچ جرمی ندارند و تعامل ضعیفی با ماده برقرار می‌کنند. نوترینوها پیام‌آوران خاص کیهانی هستند که به ما امکان می‌دهند دورترین نقاط جهان را کاوش کنیم.»

هر ثانیه، حدود ۱۰۰ میلیارد نوترینو از هر سانتی‌متر مربع بدن شما عبور می‌کنند. این ذرات ریز در همه‌جا حضور دارند و در آتش هسته‌ای ستارگان و انفجارهای عظیم ستاره‌ای، درنتیجه‌ی واپاشی رادیواکتیو و همچنین در شتاب‌دهنده‌های ذرات و رآکتورهای هسته‌ای روی زمین تولید می‌شوند. با وجود فراوانی، این ذرات بدون بار و تقریباً بدون جرم، تعاملات بسیار کمی با سایر مواد دارند که باعث می‌شود شناسایی آن‌ها بسیار دشوار باشد.

بسیاری از آزمایش‌های شناسایی نوترینو، بمباران مداوم نوترینوها از سوی خورشید را شناسایی کرده‌اند؛ اما این جریان خورشیدی، نوترینوهایی را که از منابع نادرتر مانند انفجارهای عظیم ستاره‌ای به نام ابرنواخترها و بارش‌های ذرات تولیدشده توسط پرتوهای کیهانی می‌آید، پنهان می‌کند.

دانشمندان و مهندسان برای فیلترکردن نوترینوهای کم‌انرژی و جست‌وجو برای نوترینوهای پرانرژی‌تر، درحال ساخت تلسکوپ نوترینو KM3NeT هستند که از دو آشکارساز ARCA و ORCA تشکیل شده و در مکان‌های جداگانه‌ای در اعماق دریای مدیترانه مستقر شده است.

همان‌طور که هواپیمای درحال پرواز با سرعت بالاتر از سرعت صوت، انفجار صوتی ایجاد می‌کند، ذره‌ای که از محیط کندکننده‌ی نور مانند آب با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت می‌کند، به دنبال خود درخشش آبی رنگ ضعیفی ایجاد می‌کند. دانشمندان با جست‌وجوی این درخشش که به آن «تابش چرنکوف» گفته می‌شود، می‌توانند رد ذرات فرعی را که پس از برخورد مستقیم نوترینوها با هسته اتمی ایجاد می‌شود، شناسایی کنند.

در فوریه ۲۰۲۳ آشکارساز ARCA که در بستر دریا و ۸۰ کیلومتر دورتر از ساحل پورتوپالو دی کاپو پاسرو در سیسیل قرار دارد، به چنین کشفی دست یافت. در آنجا و ۳٫۵ کیلومتر زیر سطح آب، ذره زیراتمی به نام میون از آشکارساز عبور کرد و بیش از یک‌سوم حسگرهای آن را روشن کرد. دانشمندان با ردیابی زاویه مسیر این میون و تجزیه‌وتحلیل انرژی آن، نتیجه گرفتند که این میون حاصل نوترینوی کیهانی بوده که انرژی‌اش بیشتر از هر نوترینوی ثبت‌شده‌ای است.

منبع دقیق نوترینوی فوق‌العاده پرانرژی مشخص نیست. پژوهشگران گمان می‌کنند که ممکن است این نوترینو توسط  «شتاب‌دهنده‌های کیهانی قدرتمند» مانند سیاه‌چاله، ابرنواختر یا تپ‌اختر شتاب گرفته باشد یا حتی ممکن است این اولین شناسایی نوترینوی «کیهانی» باشد که از برخورد یک پرتو کیهانی با نور ریزموج زمینه کیهانی ایجاد شده باشد.

دانشمندان برای یافتن پاسخ، به توسعه‌ی دستگاه KM3NeT ادامه خواهند داد و آشکارساز بزرگ‌تری می‌سازند که قادر خواهد بود نوترینوهای نادر بیشتری را که از سیاره ما عبور می‌کنند، شناسایی کند.

پاسکال کویل از نویسندگان مطالعه و پژوهشگر مرکز ملی تحقیقات علمی در مارسی فرانسه در بیانیه‌ای گفت: «آشکارساز KM3NeT شروع به کاوش در دامنه‌ای از انرژی و حساسیت کرده که در آن نوترینوهای شناسایی‌شده ممکن است از پدیده‌های اخترفیزیکی شدید منشا گرفته باشند. اولین مورد شناسایی نوترینویی با انرژی برابر صدها پتا الکترون‌ولت (PeV) در تاریخ، فصل جدیدی را در اخترشناسی نوترینو و پنجره مشاهده‌ای جدیدی رو به کیهان می‌گشاید.»