Schéma projektu k zachycování neutrin přicházejících z kosmu. Kredit: KM3NeT

Na jednom ze dvou podvodních neutrinových teleskopů KM3NeT, který se nachází 3,5 kilometrů pod hladinou Středozemního moře u břehů Sicílie, bylo detekováno neutrino o prozatím nejvyšší historicky naměřené energii asi 220 peta-elektronvoltů (PeV). Jedná se o energii až 30 tisíc krát větší, než jaké bylo dosaženo na urychlovači LHC v CERN. A také o vůbec první důkaz existence neutrin s takto vysokou energií v kosmu.

Třebaže k samotné detekci vysokoenergetického neutrina došlo již 13. února 2023, teprve dnes, po dvou letech, přinesl časopis Nature detailní zprávu vycházející z analýzy a interpretace získaných dat. Podle vědců mezinárodního projektu KM3NeT, který teleskop provozuje, by zachycení této unikátní částice mohlo přivést k přehodnocení našeho chápání zdrojů kosmického záření a rozšířit naše znalosti kosmu.

700 metrů dlouhé řetězce optických modulů jsou ukotveny na mořském dně. Skleněné koule mají průměr 40cm. Kredit: KM3NeT

Neutrinový teleskop KM3NeT je jedním ze zařízení, jehož účelem je detekce neutrin přicházejících z kosmu. Ta jsou vědci považována za jedny z nejzáhadnějších a těžko zachytitelných elementárních částic. Nemají elektrický náboj, téměř žádnou hmotnost a s hmotou interagují natolik slabě, že jsou schopné proletět skrz Zemi. Ale právě díky těmto svým vlastnostem se mohou stát jakýmisi „vesmírnými pošťáky“, které nic nedokáže zastavit a kteří nám mohou z hlubin vesmíru přinést cenné informace o jeho podobě a fungování. Zařízení vzniklo v rámci projektu KM3NeT, úspěšné mezinárodní kolaborace v oblasti neutrinové fyziky, jejíž aktivními účastníky jsou dnes vedle Francie, Itálie, Nizozemí, Německa a dalších zemí také Česká republika a Slovensko.

„To, že se nám podařilo neutrino s takto vysokou energií detekovat, je výsledkem obrovského společného úsilí řady mezinárodních týmů vědců, inženýrů a techniků,“ komentuje dosažený výsledek technický manager projektu Miles Lindsey Clark z francouzského institutu Laboratoire AstroparScule et Cosmologie.

Českou republiku v KM3NeT zastupuje Ústav technické a experimentální fyziky Českého vysokého učení technického (ÚTEF ČVUT), který ve svém týmu soustředil vědce z ČR, Slovenska i Velké Británie. A na financování naší účasti v projektu získal také podporu Grantové agentury České republiky.

„Náš ústav se věnuje výzkumu neutrin v jeho krajních polohách. V podzemních laboratořích, jako je LSM Modane, se v prostředí, kam neproniká kosmické záření, snažíme zjistit hmotnost neutrina. Kdežto na podvodním teleskopu, jako je KM3NeT, se naopak snažíme zachytit kosmická neutrina s maximální možnou energií,“ vysvětluje podstatu dlouholetého výzkumu vědců z ÚTEF ČVUT jeho ředitel Ivan Štekl.

Spouštění modulu do hloubky 7,5 km. Kredit: KM3NeT

Vedle samotného výzkumu „nejzáhadnější“ elementární částice s sebou podle něj neutrinová fyzika jako vedlejší efekt přináší také technologický rozvoj v oblasti vývoje detektorů, robotiky a bezpečnosti jaderné energetiky. A v poslední době se při analýze dat získaných z neutrinového teleskopu čím dál tím více uplatňují také technologie spojené s AI.

Podvodní neutrinový teleskop KM3NeT je určený především pro studium vysokoenergetických neutrin a jejich zdrojů v kosmu. Skládá se z digitálních optických modulů, skleněných koulí o průměru přibližně 40 cm, v jejichž útrobách jsou umístěné fotonásobiče a další potřebná elektronika. Optické moduly jsou pak zavěšeny na ocelová lana a spuštěny do hloubky 3,5 kilometru, kde vytvářejí 700 metrů dlouhé řetězce ukotvené na mořském dně.

Podle předpokladu vědců mohla vysokoenergetická částice zachycená neutrinovým teleskopem vzniknout jako produkt kataklyzmatických astrofyzikálních fenoménů jako je růst supermasivních černých děr ve středu některých galaxií, exploze supernov či záblesky gama záření, o nichž prozatím máme jen nejasnou představu.

Tyto zdroje kosmického záření si můžeme představit také jako supervýkonné přirozené „urychlovače“, které vytvářejí proudy částic. Ty pak v okolí zdroje interagují s hmotou nebo fotony a vytváří mimo jiné takzvaná kosmická neutrina, která se vydávají na svou pouť vesmírem a z nichž některá dorazí až na Zemi. Detekování neutrina s takto vysokou energií je proto výjimečnou události, která může otevřít novou kapitolu v neutrinové astronomii a obecněji v poznávání vesmíru.

Zdroje: Tisková zpráva ÚTEF ČVUT a Stránka experimentu KM3NeT

Redakce se připojuje ke gratulaci a dovolila si požádat o komentář Vladimíra Wagnera:

Určování přesné energie neutrin s takto extrémními energiemi je velice náročné. Zároveň pozorování pouze jednoho případu má jisté riziko misinterpretace. V každém případě jde však o velmi zajímavé a důležité pozorování. Moc kolegům, kteří jsou do tohoto experimentu zapojeni, gratuluji. V článku o detekci neutrálního kosmického záření extrémních energií (ZDE) je podrobně rozebrán současný stav studia neutrin extrémních energií. Experiment IceCube už v oblasti od 0,1 až 1 PeV pozoruje primární kosmická neutrina nad pozadím těch sekundárních vznikajících v interakci primárních nabitých částic kosmického záření v atmosféře. Pozorování neutrina s energií ještě o dva řády vyšší je z tohoto hlediska extrémně zajímavé. Pokud je reálné, tak nemůže být ze sekundárního kosmického záření vznikajícího v atmosféře a ani ze zdrojů primárního záření pozorovaného IceCube. Navíc je nad tzv. Glashowovou limitou, která je dána interakcí neutrin s reliktním pozadím.  V brzké době se to určitě pokusíme podrobněji rozebrat. (Vladimír).