Морское чудовище в цифровом формате: как недостроенный детектор в Средиземном море поймал частицу из другого мира

Нейтрино часто называют "призрачными частицами" не зря: триллионы из них пронизывают наше тело каждую секунду, почти не взаимодействуя с материей. Но иногда они дают о себе знать — вызывая редкие вспышки или вторичные частицы. Один из таких детекторов на дне Средиземного моря, KM3NeT, в 2023 году поймал самое мощное нейтрино в истории наблюдений: KM3-230213A. Его энергия в 100 тысяч раз превышает то, что рождают в Большом адронном коллайдере.

Фото: Pravda.Ru by Marina Lebedeva is licensed under Free for commercial use

Черная дыра квазар

Ученые видят в этой частице след от испарения реликтовой черной дыры — остатка Большого взрыва. Такие первичные черные дыры могли родиться в первые мгновения Вселенной и теперь, умирая, выбрасывают потоки излучения Хокинга. Альтернативы тоже есть: сверхактивные черные дыры-блазары или столкновения космических лучей с реликтовым излучением. Но событие уникально — ничего подобного раньше не фиксировали.

Детектор работал всего на 10% мощности, а сигнал все равно ослепил. Чтобы понять источник, нужны новые данные и модели. Это открытие может перевернуть наши знания о темной материи и ранней Вселенной.

Что такое нейтрино и почему они неуловимы

Нейтрино — это субатомные частицы с почти нулевой массой и без электрического заряда. Они взаимодействуют только через слабое ядерное и гравитационное силы, проходя сквозь светила и планеты как сквозь пустоту. Триллионы нейтрино от Солнца обрушиваются на Землю ежесекундно, но фиксируют их с вероятностью один на триллиард.

Космические нейтрино рождаются в экстремальных процессах: взрывах сверхновых, аккреции на черные дыры или столкновениях релятивистских протонов. Их спектры не искажаются межзвездной пылью, в отличие от света, — это чистый мессенджер из глубин космоса.

Обнаружение требует гигантских объемов: детекторы вроде IceCube в Антарктиде или KM3NeT используют километры воды или льда как мишень. Взаимодействие рождает чиренковское излучение — синий световой конус, который фиксируют фотомультипликаторы.

Детектор на дне Средиземного моря

KM3NeT — подводная обсерватория из тысяч оптических модулей на глубине 3-5 километров у берегов Франции, Италии и Греции. Она строится поэтапно: на момент события работали лишь 10% линий. Тем не менее, 13 февраля 2023 года зафиксировано нейтрино KM3-230213A.

Сигнал пришел из южного неба, с энергией PeV — петэлектронвольт. Детектор регистрирует направление и энергию с точностью лучше градуса, что позволяет искать корреляции с гамма-всплесками или активными галактиками.

Преимущество KM3NeT — ясная вода Средиземки и северное полушарие, где много блазаров.

Энергия за гранью воображения

Энергия KM3-230213A — около 30 PeV, в 35 раз выше рекорда IceCube и в 100 тысяч раз мощнее пучков LHC. Для сравнения: протоны на LHC разгоняют до 7 TeV, или 0,007 PeV.

Источник должен был обладать колоссальной мощью — вероятно, сверхвысокие космические лучи или экзотические процессы. Событие единично: другие детекторы его пропустили из-за низкой чувствительности.

"Для нейтрино это почти невероятно, особенно учитывая, что детектор работал на одну десятую мощности", — отметил в беседе с Pravda. Ru астрофизик Алексей Руднев.

Эхо Большого взрыва: умирающая черная дыра

Одна гипотеза: первичная черная дыра массой в 10¹² кг, рожденная в ранней Вселенной. По Хокингу, такие дыры испаряются, выбрасывая нейтрино на финальных стадиях. Это объясняет отсутствие оптического сигнала — дыра уже "мертва".

Такие объекты могут составлять часть темной материи. Модели показывают: испарение совпадает с энергией события.

Ранее эту идею отвергали, но новые расчеты возрождают ее. Если подтвердится, это первый прямой намек на реликтовые дыры.

Блазары и космические лучи как альтернативы

Другая версия — диффузный поток от популяции блазаров: активных ядер с релятивистскими джетами. Или столкновения космических лучей с микроволновым фоном Большого взрыва.

Моделирование исключает одиночный взрыв — нет корреляций в свете. Вероятнее совокупный вклад множества источников гравитационных волн и частиц.

Команда KM3NeT, сотни ученых, опубликовала данные на arXiv. Анализ продолжается.

"Мы никогда не видели нейтрино такой энергии; если от блазаров — это изменит наши ожидания", — подчеркнула в беседе с Pravda. Ru астроном Павел Громов.

Что ждет KM3NeT впереди

Полная сборка KM3NeT к 2027 году увеличит чувствительность в 10 раз. Больше данных позволит статистику по сверхэнергетическим нейтрино и поиск источников.

Синергия с JWST, Fermi и LIGO откроет мультимессенджерную астрономию: связать нейтрино с светом и волнами.

Почему это меняет картину Вселенной

Открытие ставит вопросы к моделям ускорителей частиц в космосе. Если реликтовые дыры — они объяснят гамма-всплески и темную материю. Блазары уточнят эволюцию галактик.

Нужны новые события: KM3NeT — ключ к окну в высокую энергетику.

"Нам нужно больше данных для мощных анализов и открытия окна в мир сверхэнергетических нейтрино", — объяснил в беседе с Pravda. Ru учёный-физик Дмитрий Лапшин.

Ответы на популярные вопросы о нейтрино KM3-230213A

Что делает это нейтрино таким особенным?

Его энергия — 30 PeV, рекорд в 35 раз выше предыдущего и в 100 тысяч раз LHC. Источник — загадка космоса.

Может ли это быть черная дыра из Большого взрыва?

Да, первичная дыра на финале испарения по Хокингу идеально подходит: нет света, только нейтрино.

Зачем строят детекторы под водой?

Вода — огромная мишень для редких взаимодействий; чиренковское свечение фиксируют модули на тросах.

Что дальше для науки?

Больше данных от KM3NeT раскроет источники и свяжет с темной материей, блазарами.

Читайте также

• Разломы идут вразнос: климатический детонатор ускоряет рождение нового океана
• То, что увидел телескоп, не укладывается в теорию: у ранней Вселенной нашёлся секрет
• Вселенная на грани пересмотра: эти точки напугали космологов сильнее чёрных дыр
• Вселенная пошла коротким путём: первые галактики запустили неконтролируемый рост