Neutrino, które postawiło naukę na głowie

W lutym 2023 roku detektor leżący na dnie Morza Śródziemnego złapał coś niezwykłego. Pojedynczą cząstkę o energii tak wysokiej, że badacze do dziś nie są pewni, skąd się wzięła.

Energia neutrina wyniosła około 220 PeV. To ponad dziesięć razy więcej niż wszystko, co wcześniej udało się zarejestrować. Co więcej — KM3NeT/ARCA, czyli urządzenie, które to złapało, działało dopiero w 10 procentach swojej planowanej mocy.

Skąd się wzięło?

Najdziwniejsze jest to, że nie ma żadnego śladu po źródle. Żadnych fal radiowych, promieniowania gamma ani światła widzialnego, które wskazywałyby konkretny obiekt na niebie. Neutrino po prostu się pojawiło.

To wyklucza wiele popularnych kandydatów. Zostaje jednak jeden szczególnie interesujący.

Co to jest blazar?

Blazar to galaktyka z supermasywną czarną dziurą w środku. Dziura wiruje i wyrzuca z siebie dwa potężne strumienie materii. Jeśli jeden z tych strumieni jest skierowany prosto w naszą stronę — mamy blazar.

Taki obiekt potrafi przyspieszać cząstki do ekstremalnych energii. Naukowcy podejrzewają, że właśnie blazary — a raczej ich ogromna populacja rozsiana po całym Wszechświecie — są odpowiedzialne za ultraenergetyczne neutrina.

Symulacje i testy

Zespół badawczy stworzył komputerowe modele populacji blazarów. Wprowadzili do nich znane parametry fizyczne i sprawdzili, ile neutrin oraz promieniowania gamma powinny one produkować.

Dwa parametry okazały się kluczowe: ile energii niosą protony w porównaniu z elektronami oraz jak szybko spada ich energia wraz ze wzrostem prędkości. Po wielu próbach model zaczął pasować do rzeczywistości.

Dlaczego to ma sens?

Model przewiduje, że tak energetyczne neutrina powinny być bardzo rzadkie. To zgadza się z faktem, że IceCube — największy detektor neutrin na świecie — nigdy czegoś takiego nie złapał.

Dodatkowo ilość promieniowania gamma, które według symulacji powinno towarzyszyć tym neutrinom, dokładnie zgadza się z danymi z teleskopu Fermiego. Nic nie wystaje, nic nie brakuje.

Co z tego wynika?

Jedno neutrina nie wystarczy, żeby udowodnić teorię. Ale gdy doda się do tego brak sygnałów z innych detektorów i zgodność z pomiarem tła gamma — obraz zaczyna się klarować.

To pokazuje, jak ważne jest łączenie różnych źródeł danych. Czasem to, czego nie widać, mówi równie dużo, co to, co udało się zarejestrować.

Co dalej?

Gdy KM3NeT/ARCA osiągnie pełną wielkość, będzie znacznie czulszy. Może złapie kolejne rekordowe neutrina. Może uda się potwierdzić, że blazary naprawdę są fabrykami najszybszych cząstek we Wszechświecie.

Na razie jedno jest pewne: Wszechświat wciąż potrafi nas zaskoczyć.