Sub valurile Mediteranei, telescopul european KM3NeT pentru particule neutrino se află într-o vânătoare cosmică. Șiruri uriașe de senzori se întind pe un kilometru până la fundul mării, dispuse într-o vastă rețea 3D.
Misiunea sa? Captarea particulelor subatomice fantomatice denumite neutrino, mesageri care pot călători nestingheriți prin univers – chiar și prin planete și stele – oferind indicii despre evenimente desfășurate cu mult dincolo de sistemul nostru solar.
În primele ore ale zilei de 13 februarie 2023, KM3NeT a detectat ceva uimitor. O explozie intensă de energie pură a semnalat particula neutrino cu cea mai mare energie observată vreodată, de 30 de ori mai mare decât orice înregistrare anterioară. De atunci, oamenii de știință încearcă să afle de unde provine.
De ce urmărim particulele neutrino?
Primele teorii despre particulele neutrino au fost formulate în anii 1930, însă acestea au fost detectate decenii mai târziu. Sunt printre cele mai abundente particule din univers, dar și cele mai greu de detectat.
În fiecare secundă, miliarde de particule neutrino trec prin corpurile noastre fără a lăsa nicio urmă. Nu au sarcină electrică și sunt aproape lipsite de masă – sunt de cel puțin un milion de ori mai ușoare decât un electron – și rareori interacționează cu materia, fiind astfel extrem de greu de detectat.
Tocmai această calitate fantomatică îi fascinează atât de mult pe fizicieni.
„În prezent, neutrino sunt cele mai interesante particule”, a declarat Paschal Coyle de la Centrul Național Francez pentru Cercetare Științifică, care coordonează un proiect finanțat de UE, denumit KM3NeT-INFRADEV2, care sprijină dezvoltarea infrastructurii KM3NeT. „Sunt înconjurate de multe mistere. Sunt particulele fundamentale cel mai puțin înțelese.”
Deoarece particulele neutrino pot traversa universul fără a fi absorbite, acestea transportă informații intacte din cele mai extreme medii cunoscute de știință: stele care explodează, găuri negre și coliziuni cosmice.
Studierea acestora ar putea dezvălui modul în care funcționează universul și chiar de ce există materia.
„Particulele neutrino sunt cel mai apropiat lucru de nimic pe care ni-l putem imagina, dar sunt esențiale pentru a înțelege pe deplin funcționarea universului”, a spus Coyle.
Vânătorii de fantome
Din când în când, o particulă neutrino lovește un nucleu atomic, creând o ploaie de particule secundare. În materii dense și transparente precum gheața sau apa, această coliziune eliberează o explozie de lumină albastră slabă, cunoscută sub numele de radiație Cerenkov. Senzorii KM3NeT sunt concepuți pentru a capta acest semnal.
Această abordare este împărtășită de alte observatoare de particule neutrino, cum ar fi IceCube din Antarctica și Super-Kamiokande din Japonia. IceCube scanează gheața polară în adâncime, iar KM3NeT cercetează apele întunecate ale Mării Mediterane.
KM3NeT este una dintre infrastructurile de cercetare emblematice ale Europei și unul dintre cele mai ambițioase proiecte de fizică din lume. Susținută de un consorțiu internațional cu finanțare europeană și națională, aceasta este formată din două instalații separate.
ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss – Cercetarea astroparticulelor cu raze cosmice în spațiu), situată în largul coastei Siciliei, este concepută pentru a urmări particulele neutrino de mare energie din spațiul îndepărtat.
ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss – Cercetarea oscilațiilor cu raze cosmice în spațiu), în apropiere de Toulon, în Franța, se concentrează pe comportamentul și masa particulelor neutrino.
Fiecare matrice este construită din linii verticale de sfere de sticlă de dimensiunile unei mingi de baschet care conțin senzori optici ultrasensibili. Aceste linii se ridică de pe fundul mării asemenea unor zgârie-nori subacvatici, întinzându-se pe un kilometru în întuneric. Au fost instalate deja peste 1.000 de module, până în 2027 fiind planificate 6.000.
„Părea o idee nebunească să construim un detector pe fundul mării pentru a capta aceste particule foarte ciudate”, a declarat Aart Heijboer, fizician principal la Institutul Național de Fizică Subatomică din Țările de Jos, care a ajutat la proiectarea telescopului. „Mi-a trezit imaginația.”
Toată această inginerie are un singur scop: să surprindă acele rare explozii de lumină când, în sfârșit, o particulă neutrino se arată.
Un semnal-record
Particula neutrino detectată în 2023, denumită KM3-230213A, a înregistrat o energie de 220 de peta-electronvolți (PeV) – o cifră extraordinar de mare pentru o singură particulă și aproape de neconceput în fizica particulelor. „Nu ne așteptam cu adevărat să descoperim un astfel de eveniment”, a spus Coyle. „A trebuit să refacem o mulțime de simulări.”
De unde a venit? Acesta rămâne marele mister.
Particulele neutrino sunt produse de o varietate de surse, de la reacțiile nucleare care alimentează Soarele la stelele care explodează (supernove) și alte evenimente cosmice de mare energie. O teorie sugerează că particulele neutrino cu cea mai mare energie provin din blazari – galaxii active ale căror găuri negre supermasive aruncă jeturi de energie direct spre Pământ.
O altă posibilitate este că razele cosmice de mare energie, care străbat universul, se ciocnesc cu fotoni, generând particule neutrino. Dacă KM3-230213A a fost produsă în acest fel, ar sugera că particulele neutrino cosmogenice sunt mai frecvente decât se aștepta.
„Sau pur și simplu am fost norocoși”, recunoaște Coyle. „Există posibilitatea ca KM3NeT să fi reușit să identifice din întâmplare o particulă neutrino rară, cu energie foarte mare.”
Cercetătorii perfecționează calculele pentru a-i urmări originea exactă. „În lunile următoare, vom avea o măsurătoare mult mai precisă a direcției sale”, a spus Heijboer. „Dacă provine de la un blazar, este foarte interesant. Dacă este cosmogenică, este la fel de interesant.”
Cercetarea naturii materiei
În timp ce ARCA se concentrează pe căutarea sursei celor mai puternice particule din univers, ORCA se concentrează asupra modului în care particulele neutrino își schimbă identitatea sau oscilează între cele trei „arome” diferite – electron, muon și tau – în timp ce călătoresc prin spațiu.
Aceste oscilații pot dezvălui ordonarea maselor particulelor neutrino, o piesă lipsă din Modelul standard al fizicii, teoria care descrie particulele fundamentale ale materiei. Ordonarea maselor se referă la secvența celor trei stări de masă ale particulei neutrino, de la cea mai ușoară la cea mai grea.
De ce contează acest lucru? Deoarece înțelegerea particulelor neutrino ar putea explica de ce există ceva mai degrabă decât nimic.
După Big Bang în urmă cu 13,7 miliarde de ani, materia și antimateria ar fi trebuit să se distrugă reciproc, lăsând doar spațiu gol. Însă materia a supraviețuit. Este posibil ca particulele neutrino să dețină cheia misterului, în special dacă se dovedesc a fi propriile lor antiparticule – o posibilitate pe care oamenii de știință sunt dornici să o testeze.
„Toate experimentele care încearcă să măsoare diferența dintre o particulă neutrino și o antiparticulă neutrino se împotmolesc deoarece nu se știe care este ordonarea maselor”, a explicat Coyle. „Este o contribuție importantă la eforturile de a afla de ce există mai multă materie decât antimaterie.”
Avantajul din adâncurile mării al Europei
Construind KM3NeT, Europa și-a asigurat un rol de lider în acest demers științific global. „Finanțarea din partea UE pentru a realiza un studiu de proiectare în 2006 a fost foarte importantă”, a spus Coyle. Mai departe, sprijinul suplimentar oferit la nivel european și național a contribuit la transformarea conceptului în realitate.
Această investiție dă deja roade, prin detectări precum KM3-230213A și multe alte descoperiri așteptate pe măsură ce telescopul se extinde.
„Nu le cunoaștem masa, nu le cunoaștem ordonarea maselor, nu știm dacă sunt propriile lor antiparticule”, a spus Coyle. „Așadar, momentan, particulele neutrino sunt în centrul atenției.”
Având în vedere că există mii de alți senzori care urmează să fie utilizați, KM3NeT nu doar consolidează rolul Europei în cercetarea fundamentală, ci și ascultă unele dintre cele mai slabe semnale din natură.
Fiecare explozie de lumină din adâncul Mării Mediterane ar putea conține un mesaj despre nașterea universului sau chiar un indiciu despre motivul pentru care există ceva mai degrabă decât nimic.
Articol scris de Jonathan O’Callaghan
Cercetările menționate în acest articol au fost finanțate prin Consiliul European pentru Cercetare (CEC). Opiniile persoanelor intervievate nu reflectă neapărat opiniile Comisiei Europene.
Acest articol a fost publicat inițial în Horizon, revista de cercetare și inovare a UE.
Mai multe informații
- KM3NET-INFRADEV2 (CORDIS)
- Site-ul KM3NeT
- Infrastructuri europene de cercetare
- Politica spațială a UE
- Forumul Strategic European privind Infrastructurile de Cercetare
- Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT (Observarea unei particule neutrino cosmice de energie ultra-înaltă cu KM3NeT), Nature, februarie 2025