نتیجه روشن است؛ آشکارسازی یک نوترینوی کیهانی که با سطحی بیسابقه از انرژی به زمین برخورد کرد، نه خطا بود و نه اشکالی در دستگاه. بلکه یک کشف واقعی از یک ذره واقعی است.
در فوریه ۲۰۲۳، آشکارساز KM3NeT که در عمق مدیترانه نصب شده است، سیگنالی ثبت کرد که نشان میداد نوترینویی با انرژی حیرتانگیز ۲۲۰ پتاالکترونولت (PeV) وارد زمین شده است. برای مقایسه، رکورد قبلی تنها ۱۰ PeV بود.
اکنون، پس از یک تحلیل جامع از دادههای رویداد با کد KM3-230213A، نتایج نه تنها تأیید میکنند که سیگنال واقعاً ناشی از یک نوترینوی ۲۲۰ PeV بوده، بلکه پرسشهای تازهای را درباره منشأ آن در کیهان مطرح میسازند.
به گفتهی گروه همکاری KM3NeT در گفتگو با ScienceAlert:
«الگوهای نوری مشاهدهشده در رویداد KM3-230213A بهطور آشکار با آنچه از یک ذرهی نسبیتی (احتمالاً میون) که از آشکارساز عبور میکند انتظار میرود، همخوانی دارد و احتمال بروز خطا یا اشکال را رد میکند. با توجه به انرژی بازسازیشده و جهت حرکت این میون، محتملترین توضیح این است که میون در اثر برهمکنش یک نوترینوی اخترفیزیکی در نزدیکی آشکارساز ایجاد شده باشد. این طبیعیترین توضیح است.»
نوترینوها؛ ذرات شبحی جهان
نوترینوها در سراسر جهان بهطرز شگفتآوری فراواناند؛ آنها از رایجترین ذرات کیهان هستند و در شرایطی پرانرژی مانند همجوشی ستارهای یا انفجار ابرنواخترها به وجود میآیند. با این حال، ویژگیهای فیزیکیشان بسیار خاص است: هیچ بار الکتریکی ندارند، جرمشان نزدیک به صفر است و با ماده پیرامونشان تقریباً هیچ برهمکنشی ندارند.
همین حالا صدها میلیارد نوترینو در هر ثانیه از بدن شما عبور میکنند، بیآنکه اثری بگذارند؛ درست مثل ارواح. به همین دلیل است که آنها را «ذرات شبحی» مینامند. این ویژگی، آشکارسازیشان را بسیار دشوار میسازد. تنها زمانی که نوترینو بهندرت با ذرهای دیگر برخورد کند، ردی از خود به جا میگذارد؛ برخوردی که میتواند ذراتی مثل میون و فوتون تولید کند و به شکل درخشش بسیار ضعیفی ثبت شود.
آشکارساز KM3NeT
آرایهی آشکارساز KM3NeT دقیقاً برای چنین شرایطی طراحی شده است. این سامانه در عمق ۳۴۵۰ متری زیر سطح آب دریا نصب شده؛ جایی که هیچ نور خورشید نفوذ نمیکند. در چنین تاریکی مطلقی، رخداد نوترینوها مانند فانوسهای کوچک میدرخشند و آشکار میشوند.
این سازوکار منجر به ثبت رویداد KM3-230213A شد. اما از آنجا که آشکارسازهای دیگری مانند IceCube و Pierre Auger با سابقهی طولانیتر، هرگز چنین انرژی بالایی را ثبت نکرده بودند، تردیدهایی باقی مانده بود.
گروه KM3NeT توضیح میدهد:
«با توجه به اینکه دیگر آزمایشها مانند آیسکیوب و اوژه بیش از یک دهه فعالیت داشتهاند و تاکنون نوترینویی با چنین انرژی بالایی کشف نکردهاند، ما احتمال میدهیم که نوترینوی رصدشده نخستین نوترینوی فرا-انرژی باشد که دیده شده است. محاسبات نشان میدهد که با وجود احتمال اندک (حدود یک در صد)، امکان دارد تنها همین رویداد در KM3NeT دیده شده و توسط دیگر آشکارسازها ثبت نشده باشد. بنابراین دادهها با هم ناسازگار نیستند.»
پیامدهای این کشف
پژوهشگران بررسی کردند که این رویداد در تصویر کلی نوترینوها چه جایگاهی دارد. افزودن یک نوترینوی ۲۲۰ PeV به دادهها موجب میشود پیشبینیها درباره توزیع انرژی نوترینوها سازگارتر به نظر برسد.
اما پرسش جذابتر این است: آیا این رویداد نشاندهندهی وجود یک فرآیند یا منبع جدید برای تولید نوترینوهای فرا-انرژی است؟ فرآیندهایی که تاکنون شناخته شدهاند، شامل همجوشی ستارهای، انفجار ابرنواخترها و دیگر پدیدههای اخترفیزیکیاند. در حالیکه ممکن است در انرژیهای بسیار بالا، فرآیندی جدید وارد عمل شود.
یکی از احتمالات وجود نوترینوهای کیهانی (Cosmogenic Neutrinos) است؛ ذراتی که از برهمکنش پرتوهای کیهانی با تابش زمینه کیهانی (CMB) ـ نخستین نور جهان که ۱۳.۸ میلیارد سال پیش ساطع شد ـ به وجود میآیند. یا شاید هم جمعیتی جدید از اجرام اخترفیزیکی وجود داشته باشد که چنین نوترینوهای پرانرژیای منتشر میکنند.
منشأ احتمالی نوترینوی شبح
تحلیل دادهها هنوز پاسخی قطعی به این پرسش نداده است. منشأ نوترینو میتواند محیط خشن مرکز یک کهکشان، انفجارهای پرتو گاما (GRBs) ناشی از ستارگان در حال مرگ، یا همان برهمکنش با تابش زمینه کیهانی باشد.
با این حال، دانشمندان تقریباً مطمئناند که این نوترینو از کهکشان راه شیری سرچشمه نگرفته است. این یعنی زادگاه KM3-230213A باید جایی بسیار دور و بسیار افراطی در کیهان باشد. در حال حاضر تلاشها برای بازسازی مسیر دقیق حرکت نوترینو ادامه دارد تا شاید منشأ آن مشخص شود.
گروه همکاری KM3NeT میگوید:
«رویداد KM3-230213A دریچهای تازه به روی اخترشناسی نوترینوهای فرا-انرژی گشود. تحلیل ما نخستین تلاش برای ترکیب مشاهدات چند تلسکوپ در گستره وسیعی از انرژیهاست تا طیف این ذرات را توصیف کند. این بهترین فرصت ما برای شناخت اجرام افراطی و شگفتانگیزی است که در جهان وجود دارند.»
