В темной тишине на глубине трех километров от Средиземного моря медленно просыпалась научная машина под названием KM3NeT. Он был построен для того, чтобы ловить призрачных посланников из глубокого космоса — частицы настолько неуловимые, что большинство из них могли проскользнуть через всю планету без следа. Но 13 февраля 2023 года произошло нечто примечательное. Частица врезалась в воду рядом с все еще растущим детектором KM3NeT, вызвав сигнал настолько интенсивный, что зажгла треть датчиков.

Когда Паскаль Койл, физик из Центра физики элементарных частиц в Марселе, впервые попытался проанализировать его, его компьютер не смог его принять. «Когда я впервые попытался посмотреть на это событие, моя программа рухнула», — сказал он Новый ученый . То, что обнаружили Койл и его коллеги, было не просто очередным нейтрино. Это было самое энергичное нейтрино из когда-либо наблюдавшихся, его мощность составляла около 220 петаэлектронвольт (ПэВ), что в 16 000 раз больше, чем энергия, созданная на Большом адронном коллайдере.

И он прилетел откуда-то далеко за пределы нашей галактики.

Новое окно в жестокую вселенную

Нейтрино являются одними из самых странных частиц в природе. Впервые предсказанные в 1930 году Вольфгангом Паули и впервые обнаруженные в 1956 году, они не несут электрического заряда и почти не имеют массы. Они почти не взаимодействуют с веществом. «Это особые космические посланники, которые раскрывают секреты самых энергетических явлений во Вселенной», — сказала Роза Конильоне, заместитель представителя KM3NeT во время открытия в Средиземном море.

Как правило, обнаружение нейтрино требует огромных творческих экспериментов. KM3NeT является одним из самых смелых на данный момент. Его гигантские массивы сферических детекторов, нанизанных, как бусины, на вертикальные линии, закрепленные на морском дне, используют чистые воды Средиземного моря в качестве среды обнаружения. Когда нейтрино в конце концов врезается в атом, оно может создать мюон — более тяжелый двоюродный брат электрона — который мчится по воде быстрее, чем свет может туда пройти. В результате образуется конус голубоватого черенковского света, похожий на звуковой удар, но состоящий из фотонов, которые детекторы могут улавливать.

Несмотря на то, что KM3NeT была завершена всего лишь десятая часть, ей удалось захватить нейтрино, теперь известное как KM3-230213A. «Это первое в истории обнаружение нейтрино с массой в сотни ПэВ открывает новую главу в нейтринной астрономии», — сказал Паскаль Койл.

Находка ошеломила исследователей, потому что ничего подобного никогда раньше не видели. IceCube, массивная нейтринная обсерватория на Южном полюсе, ранее обнаружила космические нейтрино с энергией до 6 ПэВ. Но это? Это было в совершенно другом масштабе.

«Это было действительно удивительно», — сказала Роза Конильоне. «Как меньший детектор, который был включен в течение более короткого периода времени, видит самый редкий из них, нейтрино самой высокой энергии?» — задается вопросом Наоко Курахаси Нильсон, нейтринный астроном из Университета Дрекселя.

Откуда это взялось?

Сейчас это вопрос на миллион — или, возможно, триллион — долларов.

Одна из возможностей заключается в том, что нейтрино родилось в космическом ускорителе частиц, таком как блазар — галактике со сверхмассивной черной дырой в центре, стреляющей струями частиц прямо к Земле. IceCube ранее отслеживал нейтрино с более низкой энергией до такого блазара в 2018 году. Тем не менее, когда исследователи KM3NeT исследовали область неба, из которой прибыло нейтрино с энергией 220 ПэВ, они не обнаружили очевидного источника.

«Они не нашли ни одного убедительного источника», — сказала Ширли Ли, физик из Калифорнийского университета в Ирвине.

Еще одна заманчивая идея заключается в том, что нейтрино может быть космогенным нейтрино. Это ультраредкие частицы, образующиеся, когда высокоэнергетические космические лучи — протоны и атомные ядра, летящие по Вселенной со скоростью, близкой к скорости света, — сталкиваются с космическим микроволновым фоновым излучением, послесвечением Большого взрыва.

«Это очень захватывающая возможность», — сказал Ли. Ученые предсказывали существование космогенных нейтрино в течение десятилетий, но ни один эксперимент не подтвердил их. Если нейтрино KM3NeT является космогенным, это было бы первым прямым доказательством того, что эти нейтрино самых высоких энергий действительно существуют.

Тем не менее, есть одна загвоздка. Если космогенные нейтрино существуют, то почемуРазве IceCube их уже не видел? «Трудно сказать, что это событие связано с космогенным потоком», — признал Ли.

На данный момент происхождение остается неизвестным. Как выразился Юрий Ковалев из Института радиоастрономии Макса Планка: «Добавляя наблюдения с других телескопов, мы стремимся связать ускорение космических лучей, образование нейтрино и роль сверхмассивных черных дыр в формировании этих энергетических явлений».

Удивительное и загадочное

Независимо от того, пришло ли нейтрино из скрытого блазара, космического столкновения на расстоянии в миллиарды световых лет от нас или чего-то еще более странного, последствия этого глубоки. Нейтрино дают представление о самых жестоких процессах во Вселенной. В отличие от заряженных космических лучей, нейтрино движутся по прямым линиям, совершенно не подвергаясь влиянию магнитных полей. Они также пропускают газ, пыль и свет, не отклоняясь и не поглощаясь.

«Это имеет огромное значение для науки и астрономии», — сказал Курахаси Нильсон. Нейтрино могут, например, показать, как растут черные дыры и как взрываются звезды. Они могут даже объяснить, почему Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии. Некоторые физики подозревают, что нейтрино могут быть ключом к раскрытию физики за пределами Стандартной модели, господствующей теории частиц и взаимодействий.

Например, если нейтрино являются майорановскими частицами — частицами, которые сами по себе являются античастицами, — это может объяснить, почему Большой взрыв произвел больше материи, чем антиматерии. «Если нейтрино являются отдельной античастицей, это может объяснить, куда делась вся антиматерия в ранней Вселенной», — сказал Райан Никол из Университетского колледжа Лондона.

Да и сам космос может стать лабораторией нового типа. «Это совершенно новая арена, на которой можно искать отклонения», — сказал Ли.

КМ3НеТ все еще находится в стадии строительства. После завершения строительства в 2029 году он заполнит более одного кубического километра глубоководного пространства 230 линиями обнаружения, каждая из которых будет усеяна оптическими модулями. Ученые также присматриваются к другим проектам, таким как эксперимент по нейтрино в Тихом океане у побережья Канады и продолжение работы в модернизированной обсерватории IceCube.

До тех пор исследователи будут ждать новых призрачных сигналов из бездны — крошечных вспышек света, которые несут истории из самых отдаленных уголков Вселенной.

Как сказал Койл: «Это событие показывает, что их детектор работает прекрасно. Вы можете сделать гораздо больше с двумя детекторами по сравнению с одним. Мы движемся в сторону нейтринной астрономии сверхвысоких энергий».

И с этого начинается новая эра космических открытий.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Природа .