Το αξιοσημείωτο γεγονός, που ονομάστηκε KM3-230213A, όπως αναφέρει σχετική ανακοίνωση, ανιχνεύθηκε στις 13 Φεβρουαρίου 2023 από τον ARCA του τηλεσκοπίου νετρίνων με όγκο ενός κυβικού χιλιομέτρου KM3NeT, που είναι ποντισμένος στη βαθιά θάλασσα. Αυτό είναι το πιο υψηλο-ενεργειακό νετρίνο που έχει ανιχνευθεί ποτέ και παρέχει την πρώτη απόδειξη ότι νετρίνα τόσο υψηλών ενεργειών παράγονται στο σύμπαν. Αυτό το γεγονός δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature σήμερα, Πέμπτη 13 Φεβρουαρίου 2025.

Η ομάδα Αστροσωματιδιακής Φυσικής του ΙΠΣΦ συμμετέχει ενεργά στο KM3NeT διαδραματίζοντας κομβικό ρόλο στην κατασκευή, τη λειτουργία, την ανάλυση δεδομένων και το management του πειράματος.

Τι είναι το νετρίνο

Το νετρίνο είναι ένα υποατομικό σωματίδιο, που μοιάζει πολύ με το ηλεκτρόνιο, αλλά δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο ενώ η μάζα του είναι πολύ μικρή, με πιθανότητα να είναι ακόμα και μηδενική. Τα νετρίνα είναι από τα πλέον άφθονα σωματίδια στο Σύμπαν. Επειδή εμφανίζουν πολύ μικρή αλληλεπίδραση με την ύλη, είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευτούν. Οι πυρηνικές δυνάμεις βλέπουν τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα ταυτόσημα. Κανένα από τα δύο δεν συμμετέχει στις ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις, αλλά αντίθετα συμμετέχουν και τα δύο στις ασθενείς πυρηνικές αλληλεπιδράσεις. Τα σωματίδια γενικά που εμφανίζουν αυτή την ιδιότητα ονομάζονται λεπτόνια.

Εκτός από το ηλεκτρόνιο και το αντισωμάτιό του το ποζιτρόνιο, τα φορτισμένα σωματίδια περιλαμβάνουν το μιόνιο (με μάζα 200 φορές μεγαλύτερη του ηλεκτρονίου), το ταυ (με μάζα 3500 φορές μεγαλύτερη του ηλεκτρονίου) και τα αντισωμάτιά τους.

Τόσο το μιόνιο όσο και το ταυ, όπως το ηλεκτρόνιο έχουν αντίστοιχα νετρίνα που τα συνοδεύουν, και λέγονται μιονικό- νετρίνο και ταυ- νετρίνο. Οι τρεις τύποι νετρίνου διαφέρουν μεταξύ τους.
Για παράδειγμα, όταν τα μιονικά νετρίνα αλληλεπιδρούν με κάποιο στόχο θα παράγουν πάντα μιόνια και ποτέ ταυ ή ηλεκτρόνια. Στις αλληλεπιδράσεις σωματιδίων, αν και τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα ηλεκτρονίων μπορούν να δημιουργούνται και να καταστρέφονται, το άθροισμα του αριθμού των ηλεκτρονίων και των νετρίνων των ηλεκτρονίων, διατηρείται σταθερό. Το γεγονός αυτό μας έχει οδηγήσει στη διαίρεση των λεπτονίων σε τρεις οικογένειες, που η καθεμιά περιλαμβάνει ένα φορτισμένο λεπτόνιο και το αντίστοιχό του νετρίνο.

Όταν ένα νετρίνο χτυπάει κάπιο μόριο βαρέος ύδατος μέσα στο σφαιρικό δοχείο του ανιχνευτή, ένας κώνος φωτός, εν προκειμένω οι κόκκινες γραμμές, διαχέεται προς τους ανιχνευτές που περιβάλλουν τη συσκευή. Τα νετρίνα που ανιχνεύτηκαν στο συγκεκριμένο γεγονός είναι πιθανά μιονικά νετρίνα, τα οποία παράγονται όταν κοσμικές ακτίνες χτυπούν στην ατμόσφαιρα της γης.

Για την ανίχνευση των νετρίνων απαιτούνται τεράστιοι και πολύ ευαίσθητοι ανιχνευτές. Ένα τυπικό νετρίνο χαμηλής ενέργειας θα ταξιδέψει πολλά έτη φωτός μέσα από τη συνηθισμένη ύλη πριν αλληλεπιδράσει με αυτήν. Συνεπώς όλα τα γήινα πειράματα με νετρίνα στηρίζονται στη μέτρηση ενός ελάχιστου ποσοστού νετρίνων που αλληλεπιδρούν με τεράστιους ανιχνευτές. Για παράδειγμα στο παρατηρητήριο νετρίνων του Sudbury, ένας ανιχνευτής που περιέχει 1000 τόνους βαρύ ύδωρ συλλέγει περίπου 10 τρισεκατομμύρια νετρίνα ανά δευτερόλεπτο. Από αυτά ανιχνεύει μόνο 30 περίπου νετρίνα ανά ημέρα.

Ο Wolfgang Pauli πρώτος μίλησε για την ύπαρξη του νετρίνου το 1930. Την εποχή εκείνη δημιουργήθηκε ένα σημαντικό πρόβλημα γιατί φαινόταν ότι παραβιάζεται τόσο η διατήρηση της ενέργειας όσο και της στροφορμής κατά τη διάσπαση-β. Ο Pauli ήταν αυτός που υπέδειξε ότι αν ένα σωματίδιο ουδέτερο που αλληλεπιδρά ελάχιστα – ένα νετρίνο- εκπέμπεται κατά τη διάσπαση-β οι νόμοι διατήρησης δεν θα παραβιάζονταν. Η πρώτη όμως ανίχνευση των νετρίνων έγινε το 1955 από τους Clyde Cowan και Frederick Reines κατέγραψαν αντινετρίνα που εκπέμπονταν από πυρηνικό αντιδραστήρα.

Οι φυσικές πηγές νετρίνων περιλαμβάνουν τις ραδιενεργές διασπάσεις κάποιων στοιχείων που συμβαίνουν στο εσωτερικό της γης και παράγουν μεγάλη ροή από αντινετρίνα ηλεκτρονίων.Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι περίπου 2% της εκπεμπόμενης ενέργειας από τον Ήλιο μεταφέρεται με τα νετρίνα που παράγονται κατά τις αντιδράσεις σύντηξης που συμβαίνουν στον Ήλιο. Οι Σούπερνόβα επίσης είναι κατά βάση ένα φαινόμενο νετρίνων, διότι τα νετρίνα είναι τα μόνα σωματίδια που μπορούν να εισχωρήσουν στην πολύ πυκνή κατάσταση της ύλης που δημιουργείται κατά την κατάρρευση ενός αστέρα, μόνο ένα μικρό ποσοστό της διαθέσιμης ενέργειας μετατρέπεται σε φως. Είναι επίσης πιθανόν ότι ένα μεγάλο μέρος της σκοτεινής ύλης του Σύμπαντος αποτελείται από πρωταρχικά νετρίνα από την αρχική φάση του Big Bang.

Τα πεδία που συσχετίζουν τα νετρίνα με την αστροφυσική είναι πλούσια, πολυδιάστατα και εξελίσσονται γρήγορα. Μερικές από τις ερωτήσεις που σήμερα προσελκύουν μεγάλο μέρος της πειραματικής και θεωρητικής προσπάθειας είναι :

– Ποιες είναι οι μάζες των διαφόρων νετρίνων
– Πως επηρεάζουν την κοσμολογία του Big Bang;
– Μπορούν τα νετρίνα ενός είδους να αλλάξουν σε νετρίνα άλλου είδους καθώς ταξιδεύουν μέσα
από την ύλη και το διάστημα;
– Διαφέρουν τα νετρίνα από τα αντισωμάτιά τους;

Ένα πρόβλημα που αντιστέκεται στο πέρασμα του χρόνου είναι το λεγόμενο πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων. Αυτό αναφέρεται στο γεγονός ότι πολλά γήινα πειράματα κατά τις τρεις προηγούμενες δεκαετίες, μέτρησαν λιγότερα νετρίνα από τον ήλιο από όσα απαιτούνται για να παράγεται η εκπεμπόμενη από τον ήλιο ενέργεια. Μια πιθανή εξήγηση είναι ότι τα νετρίνα ταλαντώνονται, δηλαδή τα νετρίνα των ηλεκτρονίων που παράγονται στον Ήλιο μεταλλάσσονται σε μιονικά ή ταυ- νετρίνα καθώς ταξιδεύουν προς τη γη. Επειδή είναι αρκετά πιο δύσκολο να μετρήσουμε τα μιονικά ή ταυ- νετρίνα χαμηλής ενέργειας, αυτή ημετατροπή θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί δεν παρατηρούμε τον αναμενόμενο αριθμό νετρίνων που φτάνουν στη γη.