Podwodne laboratorium na Sycylii. Ekstremalne warunki dla precyzyjnych pomiarów
Obserwatorium ARCA stanowi część większego projektu KM3NeT, który wykorzystuje naturalne właściwości głębin morskich jako idealnego środowiska do detekcji cząstek. Na głębokości 3500 metrów panuje ciśnienie 348 atmosfer, co tworzy wyjątkowo trudne warunki dla sprzętu pomiarowego. Paradoksalnie, te ekstremalne uwarunkowania okazują się niezwykle korzystne dla precyzji badań. Głębiny skutecznie izolują detektory od zakłóceń elektromagnetycznych występujących na powierzchni. Jak trafnie zauważył fizyk Joao A. B. Coelho z Francuskiego Laboratorium Astrocząstek i Kosmologii:
Ziemia to wspaniała osłona przed promieniami kosmicznymi, ale neutrina nie przejmują się tym
System detekcyjny składa się z pionowych lin o długości 700 metrów, wyposażonych w klastry czujników przypominających swoim wyglądem sztuczne gałki oczne. Ten międzynarodowy projekt badawczy reprezentuje europejskie aspiracje w dziedzinie astrofizyki neutrin, stanowiąc konkurencję dla podobnych instalacji rozsianych po całym globie. Detekcja neutrin opiera się na obserwacji promieniowania Czerenkowa – charakterystycznego niebieskiego blasku powstającego, gdy cząstki poruszają się szybciej niż światło w wodzie. Zjawisko to zostało po raz pierwszy zaobserwowane w 1934 roku przez radzieckiego fizyka Pavla Czerenkowa.
Czytaj też: Efekt Schwingera wreszcie zaobserwowany w laboratorium. Kanadyjscy fizycy przechytrzyli naturę
Warto zrozumieć mechanizm tego procesu. Prędkość światła w próżni wynosi 300 000 kilometrów na sekundę, jednak w wodzie zmniejsza się do około 200 000 kilometrów na sekundę. Cząstka potrzebuje aż 175 kilowoltoelektronów energii, aby przekroczyć tę prędkość w wodzie i wygenerować charakterystyczny błysk. Pavel Czerenkow wraz z Ilją Michajłowiczem Frankiem i Igorem Jewgieniewiczem Tammem otrzymali nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1958 roku za wyjaśnienie tego zjawiska, często porównywanego do fali uderzeniowej powstającej przy przekraczaniu bariery dźwięku.
Neutrino o rekordowej energii. Ślad kosmicznej katastrofy
System ARCA wykorzystuje zaawansowaną technologię eliminowania trzech warstw szumu cząsteczkowego. Pierwsza warstwa obejmuje naturalny szum optyczny pochodzący głównie z rozpadu radioaktywnego izotopu potasu-40. Druga dotyczy promieni kosmicznych bombardujących ziemską atmosferę. Trzecia obejmuje neutrina atmosferyczne powstające w naszej atmosferze. Kluczową innowacją jest czwarta warstwa detekcji, która ignoruje wszystkie poprzednie zakłócenia, koncentrując się wyłącznie na wzmacnianiu sygnałów pochodzących z odległych, energetycznych źródeł kosmicznych.
Czytaj też: Zapomnij o wszystkim, co wiedziałeś o elektronach. Odkrycie z Rice University wywraca fizykę do góry nogami
Podczas konferencji Neutrino 2024 w Mediolanie Joao A. B. Coelho zaprezentował przełomowe odkrycie, zachowując jednak dyskrecję co do szczegółów technicznych. Jak opisał to niezwykłe zdarzenie: Francis Halzen, fizyk z Uniwersytetu Wisconsin-Madison, określił to odkrycie jako “fantastyczne wydarzenie”. W przeciwieństwie do “spokojnych” neutrin powstających w atmosferze Ziemi, ta cząstka prawdopodobnie pochodzi z katastroficznego wybuchu w odległym kosmosie. Naukowcy celowo utrzymują w tajemnicy dokładny kierunek i czas detekcji. Ta strategia ma zapobiec innym zespołom badawczym w śledzeniu kosmicznego źródła przed publikacją pełnych wyników przez zespół ARCA.
Nowe możliwości w badaniu wszechświata
To odkrycie otwiera nowe perspektywy w astrofizyce neutrin. Głębiny oceaniczne stają się unikalnym oknem na wszechświat, umożliwiając identyfikację źródeł najbardziej energetycznych zjawisk kosmicznych. Neutrina, jako cząstki praktycznie nie oddziałujące z materią, mogą przenosić informacje z miejsc niedostępnych dla tradycyjnej astronomii optycznej. Obserwatorium ARCA dowodzi, że przyszłość eksploracji kosmosu może leżeć nie tylko w teleskopach skierowanych ku gwiazdom, ale także w zaawansowanych detektorach ukrytych w najgłębszych zakątkach naszej planety. Każde wykryte neutrino o ekstremalnej energii to potencjalny klucz do zrozumienia najbardziej gwałtownych procesów zachodzących we wszechświecie.