Naukowcy z laboratorium CERN w Szwajcarii ogłosili, że zaobserwowali i wygenerowali w laboratorium wysokoenergetyczną formę promieniowania zwaną wysokoenergetycznym promieniowaniem neutrinowym. Ich osiągnięcie jest bezprecedensowe i znacznie poprawi zrozumienie przez społeczność naukową niektórych z najbardziej energetycznych i destrukcyjnych środowisk w kosmosie.

Najrzadsze cząsteczki

W naturze wysokoenergetyczne neutrina powstają tylko w wyjątkowych okolicznościach. Należą do nich zderzające się gwiazdy neutronowe, rozbłyski gamma i pulsary. Występują również w silnych polach magnetycznych generowanych, gdy czarne dziury pochłaniają pobliskie gwiazdy. Takie kosmiczne zdarzenia należą do najrzadszych i najbardziej spektakularnych zjawisk we Wszechświecie.

Promieniowanie neutrin o niższej energii obserwuje się od ponad pół wieku. Niskoenergetyczne neutrina emitowane są w reakcjach jądrowych, takich jak te zachodzące na Słońcu lub w reaktorze jądrowym. Neutrina słoneczne i reaktorowe mogą mieć mniej niż jedną milionową energii przenoszonej przez wysokoenergetyczne neutrina stworzone w kosmosie.

Naukowcy mogą również generować neutrina za pomocą wiązek cząstek, takich jak te w Fermi National Accelerator Laboratory lub Fermilab, zlokalizowanym na obrzeżach Chicago. Wiązki Fermilab są najintensywniejsze na świecie. Są około 1000 razy bardziej energetyczne niż te, które powstają na Słońcu lub w reaktorach jądrowych, ale wciąż są daleko od energii przenoszonej przez niektóre neutrina powstające w kosmosie.

Wysokoenergetyczne neutrina z kosmosu były wykrywane już wcześniej, ale są one niezwykle rzadkie, a ich wykrywanie zależy od kaprysu wydarzeń kosmicznych. W końcu gwiazdy neutronowe nie zderzają się każdego dnia. Naukowcom, którzy chcą badać neutrina o bardzo wysokiej energii, pozostaje czekać, aż gdzieś we Wszechświecie wystąpi zdarzenie o wysokiej energii.

Cierpliwość ma kosmiczne granice

Na szczęście naukowcy są dość cierpliwi i zbudowali sprzęt, który może zidentyfikować kosmiczne neutrina o wysokiej energii, kiedy one wystąpią. Do tego zadania potrzebne są bardzo duże detektory — na przykład detektor Super-Kamiokande w Japonii, który jest zbiornikiem zawierającym 50 000 ton ultraczystej wody, lub IceCube Neutrino Observatory, które wykorzystuje kilometr sześcienny lodu Antarktydy.

Detektory muszą być tak duże, ponieważ neutrina oddziałują bardzo słabo. Na przykład około 10 bilionów bilionów (10²⁵) neutrina słoneczne codziennie przechodzą przez zbiornik Super-Kamiokande, ale tylko trzydzieści z tych neutrin oddziałuje z detektorem i można je zaobserwować.

Jest zatem jasne, że dla naukowców chcących badać energetyczne neutrina czekanie na ich wygenerowanie gdzieś w kosmosie nie jest idealne. O wiele lepiej byłoby stworzyć na Ziemi neutrina o bardzo wysokiej energii, a następnie skierować wiązkę tych neutrin na czekający detektor. I to jest dokładnie to, co teraz zrobili naukowcy.

Najpotężniejszy akcelerator cząstek na świecie nosi nazwę Wielkiego Zderzacza Hadronów i znajduje się w laboratorium CERN na granicy francusko-szwajcarskiej. Zderzacz został zbudowany w celu zderzenia bardzo wysokoenergetycznych wiązek protonów w nadziei na stworzenie, a następnie wykrycie cząstki zwanej bozonem Higgsa, która jest źródłem masy najmniejszych cegiełek budulcowych materii. Odkrycie bozonu Higgsa zostało ogłoszone 4 lipca 2012 roku.

Subskrybuj sprzeczne z intuicją, zaskakujące i wpływowe historie dostarczane do Twojej skrzynki odbiorczej w każdy czwartek

Chociaż bozon Higgsa był głównym celem Zderzacza, detektory rozmieszczone wokół akceleratora zostały zaprojektowane tak, aby były bardzo wszechstronne. Przez lata niezależne zespoły wykorzystywały go do wielu pomiarów praw natury przy najwyższych dostępnych energiach. Rzeczywiście, odkąd Collider zaczął działać, opublikowano ponad 3000 artykułów naukowych wykorzystujących dane wygenerowane przez akcelerator.

Odkrycia wysokoenergetyczne

Jeden zestaw badaczy wykorzystał niespotykaną energię wiązek obiektu do zbadania, jak tworzyć i wykrywać neutrina o bardzo wysokiej energii. Naukowcy ci zbudowali coś, co nazywa się FASER lub ForwArd Search ExpeRiment. Detektor został umieszczony bardzo blisko wiązek LHC — około 480 metrów od miejsca, w którym zderzają się wiązki protonów.

W tym miejscu FASER mógł zobaczyć najbardziej energetyczne cząstki powstałe w zderzeniach, co czyni go idealnym detektorem do poszukiwania neutrin o ekstremalnie wysokich energiach. Na konferencji Moriond 2023 Electroweak Conference w LaThuile we Włoszech naukowcy FASER ogłosili, że zaobserwowali te cząstki.

Cząsteczki przenosiły energię nawet kilka tysięcy razy większą niż neutrina generowane za pomocą innych akceleratorów cząstek. Naukowcy będą mogli wykorzystać te dane do lepszego zrozumienia wysokoenergetycznych neutrin z kosmosu. Ta nowa wiedza z kolei pomoże astronomom znacznie lepiej zrozumieć, co dokładnie dzieje się, na przykład, gdy zderzają się gwiazdy neutronowe. W ten sposób ta ostatnia praca rzuci światło na niektóre z najbardziej spektakularnych i najrzadszych zjawisk kosmicznych.

To dopiero początek. Ponieważ LHC będzie działał jeszcze przez kilka dekad – włączając w to planowaną modernizację prędkości, z jaką zderzają się jego wiązki – naukowcy będą nadal odkrywać i ujawniać zachowanie neutrin o bardzo wysokiej energii.