Οι κυνηγοί νετρίνων πηγαίνουν κάτω από το νερό για να παγιδεύσουν σωματίδια φαντάσματα
Από το 2010, ο IceCube, ένας ανιχνευτής παγωμένος στον πάγο κάτω από τον Νότιο Πόλο, παγιδεύει νετρίνα από το βαθύ διάστημα. Το σύμπαν είναι γεμάτο με αυτά τα φευγαλέα, σχεδόν χωρίς μάζα σωματίδια, αλλά το IceCube αναζητά ένα σπάνιο υποσύνολο. Είναι αγγελιοφόροι από μακρινούς κοσμικούς επιταχυντές όπως σουπερνόβα, αστέρια νετρονίων και μαύρες τρύπες. Το IceCube έχει πιάσει περίπου 300 στα κυβικά χιλιόμετρα πάγου του, αλλά είχε λιγότερη επιτυχία στην ιχνηλάτησή τους στην πιθανή πηγή τους—μόλις δύο μέχρι στιγμής. Τώρα, είναι έτοιμη να λάβει βοήθεια από νέους ανιχνευτές που ανταλλάσσουν τον πάγο της Ανταρκτικής με βαθιά βόρεια νερά.
Αυτόν τον μήνα, οι ερευνητές θα αρχίσουν να ρίχνουν χορδές αισθητήρων στη Μεσόγειο Θάλασσα στα ανοικτά των ακτών της Σικελίας, καθώς θα ξεκινήσουν την κατασκευή του Τηλεσκόπιου Νετρίνων Κυβικών Χιλιόμετρων (KM3NeT). Εν τω μεταξύ, μια ρωσική ομάδα εργάζεται στην παγωμένη επιφάνεια της λίμνης Βαϊκάλης στη Σιβηρία, τη βαθύτερη λίμνη του κόσμου, για να ρίξει χορδές ανιχνευτών στα βάθη της. Ο ανιχνευτής όγκου Gigaton (Baikal-GVD) είναι ήδη κατά το ήμισυ ολοκληρωμένος και λαμβάνει δεδομένα. Μια τρίτη προσπάθεια, ο Εξερευνητής Νετρίνων του Ειρηνικού Ωκεανού (PONE) ελπίζει να αναπτύξει μία ή περισσότερες πρωτότυπες χορδές στα ανοιχτά της δυτικής ακτής του Καναδά το επόμενο έτος.
«Ανυπομονούμε πραγματικά να έχουμε ένα παγκόσμιο δίκτυο», λέει η Olga Botner, φυσικός αστροσωματιδίων στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα και μέλος της ομάδας IceCube. "Με τρεις ανιχνευτές θα έχουμε περισσότερα νετρίνα και περισσότερες πιθανότητες να εντοπίσουμε πηγές."
Τρισεκατομμύρια νετρίνα ρέουν απαρατήρητα μέσα από το σώμα σας κάθε δευτερόλεπτο, τα περισσότερα από αυτά χαμηλής ενέργειας νετρίνα από τοπικές πηγές όπως ο Ήλιος. Το IceCube και τα άλλα «τηλεσκόπια νετρίνων» μελετούν τα σπάνια νετρίνα υψηλής ενέργειας που παράγονται όταν φορτισμένα σωματίδια - κοσμικές ακτίνες - επιταχύνονται σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες στο μακρινό σύμπαν που συντρίβουν ένα νέφος αερίου. Οι κοσμικές ακτίνες μπορούν επίσης να φτάσουν στη Γη, αλλά δεν μπορούν εύκολα να εντοπιστούν στην πηγή τους, επειδή ακολουθούν ένα περιστροφικό ταξίδι μέσα από τα μαγνητικά πεδία του σύμπαντος. Τα νετρίνα χωρίς φορτίο προσφέρουν μια πιο αληθινή διαδρομή πτήσης που αποκαλύπτει την πηγή τους. Αλλά μόνο εάν οι ερευνητές μπορούν να τα πιάσουν.
Πολύ περιστασιακά ένα διερχόμενο νετρίνο θα συγκρουστεί με έναν ατομικό πυρήνα, γεννώντας άλλα σωματίδια. Στο νερό ή τον πάγο, αυτά τα σωματίδια εκπέμπουν μια λάμψη φωτός καθώς επιβραδύνουν. Το IceCube περιέχει περισσότερους από 5000 ανιχνευτές φωτός που παρακολουθούν τον βαθύ, διαφανή πάγο για να εντοπίσουν τον χρόνο και τη φωτεινότητα του φλας, από τον οποίο οι ερευνητές μπορούν να ανακατασκευάσουν την ενέργεια και τη διαδρομή του νετρίνου.
Το IceCube πιάνει περίπου 30 νετρίνα υψηλής ενέργειας ετησίως που εικάζεται ότι είναι εξωγαλαξιακά. Αυτός είναι περίπου ο αριθμός που αναμένεται να προέλθει από σουπερνόβα σε γαλαξίες με αστρική έκρηξη—νεαρούς γαλαξίες που σφυρηλατούν τεράστια, γρήγορα φλεγόμενα αστέρια δεκάδες φορές ταχύτερα από τον Γαλαξία. Όταν αυτά τα αστέρια πεθαίνουν και εκρήγνυνται, πιστεύεται ότι εκτοξεύουν κοσμικές ακτίνες που παράγουν νετρίνα όταν συντρίβουν μέσα από πυκνά σύννεφα αερίου σχηματισμού αστέρων κοντά στις σουπερνόβα.
Ο ρυθμός με τον οποίο το IceCube ανιχνεύει εξωγαλαξιακά νετρίνα είναι «μια ισχυρή υπόδειξη ότι αυτές είναι οι πηγές», λέει ο θεωρητικός Eli Waxman του Ινστιτούτου Επιστήμης Weizmann. Ωστόσο, μέχρι στιγμής, τα δύο νετρίνα που πρέπει να εντοπιστούν σε πιθανές πηγές φαίνεται να προέρχονται από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (SMBH) σε γαλαξιακούς πυρήνες, όχι από εκρήξεις αστεριών. Το ένα φαινόταν να προέρχεται από ένα blazar, ένα πίδακα από ένα SMBH που δείχνει προς τη Γη και ένα άλλο, που ανακοινώθηκε νωρίτερα αυτό το έτος, από ένα γεγονός παλιρροϊκής διαταραχής - ένα SMBH που διαλύει ένα αστέρι. Για να λυθεί το πρόβλημα, λέει ο Waxman, οι ερευνητές χρειάζονται μεγαλύτερους ανιχνευτές και καλύτερη κατάδειξη. "Με αυτήν την επόμενη γενιά θα αναγνωρίσουμε μεμονωμένους γαλαξίες με αστερίες", λέει.
Παγίδες νερού και πάγου
Η κατασκευή του IceCube χρειάστηκε 5 χρόνια γεώτρησης στο πάγο της Ανταρκτικής με πίδακες ζεστού νερού. Η κατασκευή ενός ανιχνευτή βαθιά κάτω από το νερό έχει τις δικές του προκλήσεις. Κάθε χορδή KM3NeT, γεμάτη με ανιχνευτές σε απόσταση 40 μέτρων, πέφτει από ένα πλοίο ως μπάλα και ξετυλίγεται καθώς βυθίζεται στον πυθμένα της Μεσογείου 3,4 χιλιόμετρα πιο κάτω. Οι σημαδούρες κρατούν τις χορδές όρθιες, ενώ ένα υποβρύχιο που λειτουργεί με τηλεχειρισμό τις αγκυρώνει και τις συνδέει σε δίκτυα τροφοδοσίας και επικοινωνίας. Η ομάδα ετοιμάζεται να εγκαταστήσει 18 χορδές μέχρι τον Σεπτέμβριο. "Είναι ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός", λέει ο εκπρόσωπος Paschal Coyle του Κέντρου Σωματιδιακής Φυσικής της Μασσαλίας. Ο στόχος είναι να υπάρχουν 230 χορδές και περισσότεροι από 4000 ανιχνευτές φωτός μέχρι το 2026 για να γίνει ένας ανιχνευτής ελαφρώς μεγαλύτερος από τον IceCube.
Οι ερευνητές του Baikal-GVD έχουν πιο εύκολη δουλειά. Προς το παρόν, μπορούν να οδηγήσουν με ασφάλεια στην παγωμένη λίμνη, να στήσουν βαρούλκα και να κατεβάσουν χορδές στο νερό. Η εργασία στον πάγο «κάνει πραγματικά ευκολότερη και φθηνότερη την ανάπτυξη πραγμάτων», λέει ο Ντμίτρι Ζαμπόροφ από το Ινστιτούτο Πυρηνικής Έρευνας της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών. Η ομάδα έχει εγκαταστήσει 56 χορδές μέχρι στιγμής και στοχεύει σε άλλες 40 έως το 2024, για να καλύψει έναν όγκο περίπου 70% του μεγέθους του IceCube.
Η χρήση νερού αντί για πάγο θα δώσει στους νέους ανιχνευτές ένα πλεονέκτημα. Το φως διασκορπίζεται λιγότερο στο νερό, επομένως τα ίχνη σωματιδίων μπορούν να χαρτογραφηθούν με μεγαλύτερη ακρίβεια, δίνοντας μια πιο ευκρινή εικόνα της προέλευσης των νετρίνων. Η KM3NeT εκτιμά ότι μπορεί να επιτύχει κορυφαία γωνιακή ανάλυση μικρότερη από 0,1°, σε σύγκριση με την 0,5° του IceCube, που είναι περίπου όσο η πανσέληνος.
Η θέση των τηλεσκοπίων στο βόρειο ημισφαίριο είναι επίσης ένα πλεονέκτημα. Οι ανιχνευτές νετρίνων κοιτάζουν προς τα κάτω και όχι προς τα πάνω, παρακολουθώντας για νετρίνα που έχουν περάσει από τη Γη, η οποία λειτουργεί ως ασπίδα έναντι πολλών σωματιδίων φόντου. Ως αποτέλεσμα, η θέα του IceCube φαίνεται στον βόρειο ουρανό. Οι βόρειοι ανιχνευτές, αντίθετα, θα κοιτάξουν νότια, στην καρδιά του Γαλαξία, το πιο πιθανό σπίτι για πηγές νετρίνων όπως μαγνητισμένα αστέρια νετρονίων, το SMBH του γαλαξία ή, αν οι αστρονόμοι είναι τυχεροί, ένα νέο σουπερνόβα.
Αργότερα μέσα στη δεκαετία θα μπορούσαν να ενωθούν με την P-ONE, η οποία εκμεταλλεύεται ένα δίκτυο υφιστάμενων καλωδίων ενέργειας και δεδομένων που έχουν εγκατασταθεί για ωκεανογραφικά πειράματα στα ανοικτά των ακτών της Βρετανικής Κολομβίας. «Είναι μια λειτουργία plug-and-play», λέει η επικεφαλής της ομάδας Elisa Resconi του Τεχνικού Πανεπιστημίου του Μονάχου. Με τρία ευρέως αποστασιοποιημένα τηλεσκόπια στο βορρά, "θα βλέπουμε σχεδόν ολόκληρο τον ουρανό όλη την ώρα", λέει ο Resconi. "Θα φέρει το γήπεδο σε ένα νέο επίπεδο."
Ο απώτερος στόχος, από τη στιγμή που οι ερευνητές μπορούν να συνδέσουν νετρίνα ιδιαίτερων ενεργειών με διαφορετικούς τύπους πηγών, είναι να κάνουν αληθινή αστρονομία νετρίνων:βλέποντας το σύμπαν όχι με φωτόνια, αλλά με νετρίνα, τα οποία φέρουν ειδήσεις για βίαιες γωνιές του σύμπαντος, διαφορετικά κρυμμένες από τα μάτια. Όπως το θέτει ο Botner:"Θέλουμε να δούμε τα μέρη του σύμπαντος που δεν μπορούν να φανούν με φωτόνια."
