Colaborarea KM3NeT anunță detecția unui neutrino cosmic cu o energie record de aproximativ 220 PeV

În 13 februarie 2023, un eveniment extraordinar, consistent cu un neutrino cu o energie estimată de aproximativ 220 PeV (220 de milioane de miliarde de electron volți), a fost detectat de către detectorul ARCA al telescopului de neutrini KM3NeT, amplasat la mare adâncime în Marea Mediterană.  Acest eveniment, numit KM3-230213A, este cel mai energetic neutrino observat vreodată și furnizează prima dovadă experimentală că neutrinii de foarte mare energie sunt produși în Univers. După o muncă meticuloasă și de durată pentru analiza și interpretarea datelor experimentale, azi, 12 februarie 2025, Colaborarea științifică internațională KM3NeT prezintă detaliile acestei uimitoare descoperiri intr-un articol publicat in Nature.

Particula detectată a fost identificată drept un miuon care a traversat tot detectorul, inducând semnale în mai mult de o treime dintre senzorii activi. Înclinația traiectoriei sale, combinația cu energia sa enormă, prezintă dovezi incontestabile că acest miuon provine din interacția unui neutrino cosmic în vecinătatea detectorului. 

“KM3NeT a început să testeze un domeniu de energie și sensibilitate în care neutrinii detectați pot proveni din fenomene astrofizice extreme. Prima astfel de detecție a unui neutrino de sute de PeV deschide un nou capitol în astronomia cu neutrini și o nouă fereastră observațională către Univers”, afirmă Paschal Coyle, KM3NeT Spokesperson la momentul detecției și cercetător la CNRS Centre National de la Recherche Scientifique – Centre de Physique de Particules de Marseille, Franța.

Universul energiilor foarte înalte este tărâmul evenimentelor cataclismice, precum găuri negre supermasive aflate în proces de acreție în centrul galaxiilor, explozii de supernove, explozii de raze gamma, evenimente care înca nu sunt înțelese complet. Acești puternici acceleratori cosmici generează fluxuri de particule numite raze cosmice. Razele cosmice pot interacționa cu materia sau fotonii din jurul sursei, pentru a produce neutrini și fotoni. În timpul călătoriei celor mai energetice raze cosmice de-a lungul Universului, unele pot interacționa cu fotoni din radiația cosmică de fond, pentru a produce neutrini “cosmogenici” de energii extreme.

“Neutrinii sunt una dintre cele mai misterioase particule elementare. Ei nu au sarcină electrică, sunt aproape lipsiți de masă și interacționează cu materia doar prin intermediul forței nucleare slabe. Ei sunt mesageri cosmici speciali, care ne aduc informații unice despre mecanismele implicate în cele mai energetice fenomene și ne permit să explorăm cele mai îndepărtate colțuri din Univers”, explica Rosa Coniglione, KM3NeT Deputy-Spokesperson la momentul detecției, cercetătoare la INFN National Institute for Nuclear Physics, Italia.

Cu toate că neutrinii sunt a doua cea mai abundentă particulă din Univers după fotoni, interacția lor slabă cu materia îi face foarte greu de detectat și aceasta necesită detectori de dimensiuni uriașe. Telescopul KM3NeT, actualmente în construcție, este o structură submarină de mare adâncime, distribuită în doi detectori, ARCA și ORCA. În configurația sa finală, KM3NeT va ocupa un volum mai mare de un kilometru cub. Experimentul KM3NeT folosește apa mării ca mediu de interacție pentru neutrini. Modulele sale optice high-tech detectează lumina Cherenkov, o strălucire albăstruie produsă în timpul propagării în apă a particulelor ultra-relativiste rezultate din interacțiile neutrinilor.

“Pentru a determina direcția și energia acestui neutrino, a fost nevoie de o calibrare precisă a telescopului și de algoritmi de reconstrucție sofisticați pentru traiectorii. În plus, această detecție remarcabilă a fost realizată cu doar o zecime din configurația finală a detectorului, demonstrând marele potențial al experimentului nostru pentru studiul neutrinilor și pentru astronomia cu neutrini”, declara Aart Heijboer, KM3NeT Physics and Software Manager la momentul detecției și cercetător la Nikhef National Institute for Subatomic Physics, Olanda.

Detectorul KM3NeT/ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) este dedicat, în principal, studiului neutrinilor de foarte mare energie și al surselor acestora din Univers. Este amplasat la 3450 m adâncime, la aproximativ 80 km de coasta Portopalo di Capo Passero, Sicilia. Este alcătuit din unități de detecție (DU) de 700 m înălțime, ancorate la baza mării și poziționate la aproximativ 100 m una de cealaltă. Fiecare unitate de detecție este echipată cu 18 Module Optice Digitale (DOM), care conțin la rândul lor cate 31 de fotomultiplicatori. În configurația sa finală, ARCA va fi alcătuită din 230 de unități de detecție. Datele experimentale colectate sunt transmise prin intermediul unui cablu submarin la stația de la țărm a institutului INFN Laboratori Nazionali del Sud. 

Detectorul KM3NeT/ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) este optimizat pentru studiul proprietăților fundamentale ale neutrinilor. Este amplasat la o adâncime de 2450 m, la o distanță de aproximativ 40 km de coasta orașului Toulon, Franța. La finalizarea construcției, va fi alcătuit din 115 unități de detecție, de 200 m înălțime și poziționate la 20 m una față de cealaltă. Datele experimentale colectate de ORCA sunt trimise la stația de la țărm din La Seyne Sur Mer. 

“Magnitudinea KM3NeT, care va cuprinde un volum de aproximativ un kilometru cub cu un total de circa 200000 de fotomultiplicatori, împreună cu amplasarea sa în abisul Mării Mediterane, demonstrează eforturile extraordinare necesare pentru progresul astronomiei cu neutrini și al fizicii particulelor. Detecția acestui eveniment este rezultatul unui imens efort de colaborare între multe echipe internaționale de ingineri, tehnicieni și oameni de știință”, declara Miles Lindsey Clark, KM3NeT Tehnical Project Manager la momentul detecției si inginer cercetator la CNRS – Astroparticle and Cosmology Laboratory, Franta.

Acest neutrino de energie foarte mare poate proveni dintr-un accelerator cosmic puternic. Alternativ, poate fi prima detecție a unui neutrino cosmogenic. Cu toate acestea, cu un singur neutrino, este dificil să formulăm concluzii despre originea sa. Observații viitoare se vor concentra pe detecția mai multor astfel de evenimente pentru a construi o imagine mai clară. Expansiunea continuă a experimentului KM3NeT cu unități de detecție adiționale și achiziția de date suplimentare va îmbunătăți sensibilitatea sa și va amplifica abilitatea sa de a identifica sursele de neutrini cosmici, făcându-l un contributor principal la astronomia multi-mesager. 

Colaborarea KM3NeT aduce împreuna mai mult de 360 de cercetatori, ingineri, tehnicieni și studenți din 68 de instituții din 21 de țări din toată lumea.

Experimentul KM3NeT este inclus în harta European Strategy Forum on Research Infrastructures, care recunoaște KM3NeT ca o infrastructură de cercetare prioritară  din Europa. KM3NeT primește atât fonduri de la Uniunea Europeana, cât și de la agențiile naționale de cercetare din mai multe țări. Experimentul KM3NeT a beneficiat de diverse fonduri din programele de cercetare și inovare europene, cât și din Fondul European de Dezvoltare Regională.

Institutul de Științe Spațiale – Filiala INFLPR este membru al Colaborării KM3NeT ca urmare a inițiativei regretatului nostru coleg, Dr. Vlad Popa. El a propus și a contribuit la dezvoltarea direcției de cercetare în domeniul particulelor exotice, precum nucleariți (particule ipotetice masive de materie stranie) și monopoli magnetici, în cadrul experimentelor de neutrini ANTARES și KM3NeT. Grupul nostru continuă această direcție de cercetare și participă la activitatea științifică a experimentului (prin simulări, analize de date, testări de programe, ture de achiziție de date) și la diseminarea rezultatelor obținute prin publicații și participări la conferințe internaționale și la evenimente de popularizare.

Articolul a fost preluat și adaptat din comunicatul de presă oficial al colaborării KM3NeT.

Observatorul Vera C. Rubin, un telescop de ultimă generație aflat în construcție în Chile, este pregătit să schimbe modul în care astronomii studiază expansiunea Universului. Odată ce va deveni operațional, acesta va monitoriza milioane de supernove de tip Ia—explozii care apar atunci când o pitică albă acumulează prea multă materie de la steaua sa însoțitoare. Aceste supernove sunt cunoscute drept „lumânări standard” deoarece strălucesc cu o luminozitate previzibilă, permițând oamenilor de știință să măsoare distanțe cosmice și să investigheze energia întunecată, mărimea fizică care determină expansiunea accelerată a Universului.

 
Când Observatorul Rubin va începe studiul său de 10 ani, numit Legacy Survey of Space and Time (LSST), va colecta o cantitate imensă de date despre aceste explozii stelare, acoperind diferite distanțe și tipuri de galaxii. Aceste informații vor ajuta cercetătorii să înțeleagă mai bine energia întunecată și să afle dacă proprietățile sale au rămas constante în timp sau s-au schimbat.

Astronomul Anais Möller, membru al colaborării Rubin/LSST Dark Energy Science Collaboration, a subliniat importanța acestui proiect, menționând că volumul uriaș de date colectate de Rubin va permite oamenilor de știință să studieze o mare varietate de supernove de tip Ia în condiții cosmice diferite.

Prin analiza atentă a luminozității acestor supernove, cercetătorii speră să construiască o imagine mai clară a modului în care Universul s-a extins de-a lungul a miliarde de ani. Descoperirile ar putea fie să confirme modelele cosmologice actuale, fie să dezvăluie noi aspecte ale energiei întunecate, care să ne schimbe înțelegerea despre cosmos.

Referințe:      https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250117161235.htm

‍                    https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ada0bd#apjlada0bds6

Un studiu recent de la Universitatea Duke a adăugat noi informații la întrebările privind expansiunea Universului, denumită adesea „tensiunea Hubble”. Această problemă apare dintr-o discrepanță pe care o primesc oamenii de știință care măsoară rata de expansiune a Universului (constanta Hubble). Există rezultate diferite în funcție de metoda utilizată. Noile descoperiri sugerează că înțelegerea noastră actuală a Cosmologiei ar putea avea nevoie de ajustări pentru a explica o expansiune mai rapidă decât se prezicea anterior.

Pentru a calcula constanta Hubble, astronomii se bazează pe o metodă numită scara distanței cosmice, ceea ce înseamnă că sunt folosite diferite tehnici pentru a determina cât de departe se află obiectele din spațiu. În acest studiu, cercetătorii au folosit date de la Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), care colectează date de la peste 100.000 de galaxii în fiecare noapte. 

(Stânga) Locațiile de supernove (SNe) Ia identificate ca fiind în clusterul Coma (stelele galbene) și galaxiile identificate ca fiind în grupul Coma ca din catalogul complet al grupului S24 Coma (cercuri gri deschis), eșantionul S24 FP (cercuri de culoare albastru închis) și catalogul grupului T15 Coma (cercuri de culoare albastru deschis). Centrul grupului este marcat cu roșu. Pozițiile SNe sunt enumerate în Tabelul 1. (Dreapta) Pentru caseta dreptunghiulară din stânga, o imagine colorată a acelei zone de cer cu SNe în acea locație marcată (Credit: D. Scolnic et al. 2025, The Hubble Tension in Our Own Backyard: DESI and the Nearness of the Coma Cluster, ApJL979L9).

O parte esențială a abordării lor a implicat măsurarea cu precizie a distanței până la Roiul Coma (Coma Cluster), o colecție masivă de galaxii aflate la aproximativ 320 de milioane de ani lumină distanță. Acest lucru a fost realizat analizând modelele de luminozitate a 12 supernove de tip Ia – adică stele care explodează ce au o caracteristică binecunoscută numită luminozitate. Valorile de luminozitate sunt utile pentru măsurarea distanțelor cosmice.

Cercetătorii au determinat o valoare constantă Hubble de 76,5 kilometri pe secundă pe megaparsec. Această valoare se aliniază cu alte măsurători recente ale Universului din apropiere, dar rămâne în dezacord cu previziunile bazate pe observațiile cosmosului mai îndepărtat. Autorul principal, Dan Scolnic, a subliniat că această inconsecvență în creștere poate indica probleme mai profunde cu modelul cosmologic standard. Prin urmare, studiul indică, de asemenea, necesitatea unei noi analize a teoriilor actuale pentru a rezolva contradicțiile în înțelegerea noastră cu privire la cât de repede se extinde Universul.