נייטרינו בעל האנרגיה הגבוהה ביותר עד כה התגלה במתקן תת ימי בים התיכון

ניסוי תת-ימי לגילוי נייטרינו הפועל עדיין חלקית זיהה את מה שנראה כנייטרינו הקוסמי בעל האנרגיה הגבוהה ביותר שנמדד עד כה.

לפעמים מה שמחפשים מגיע ברגעים בהם פחות מצפים לו. כך נראה היה במקרה של טלסקופ הנייטרינו בצורת קוביה (KM3NeT), מערך של גלאי אור מרובי פוטונים הממוקמים על רצפת הים התיכון. היום, צוות KM3NeT מדווח על מדידת אות שמקורו בנייטרינו בעל אנרגיה של 220 פטה-אלקטרון-וולט (PeV) – אנרגיה הגבוהה פי 30 מהשיא הקודם של נייטרינו בעל אנרגיה הגבוהה ביותר שנמדדה [1].

"מדדנו עד כה את הנייטרינו בעלי האנרגיה הרבה ביותר שתועדו", אמר דובר KM3NeT, פסקאל קוייל, ממרכז הפיסיקה החלקיקית במרסיי, צרפת. "הנייטרינו הזה סביר להניח שמקורו קוסמי." הוא וחברי שאר צוות KM3NeT הציגו את תוצאותיהם במסיבת עיתונאים מקוונת..

רקע מדעי על ניסוי KM3NeT

גילוי נייטרינו בעל אנרגיה כה גבוהה מעורר עניין רב באסטרופיזיקה, שכן נייטרינו אלו נוצרים ככל הנראה במקביל לקרניים קוסמיות באנרגיה גבוהה, שמקורותיהן עדיין מהווים תעלומה. היתרון המרכזי בגילוי נייטרינו הוא שהם אינם מתעוותים במסעם הקוסמי אל כדור הארץ, כך שמדידת כיוון הגעתם עשויה לחשוף את מקורם. כפי שהסביר גם ארט הייזבור מאגף הפיסיקה התת-אטומית ההולנדי: "זו חלק מהניסיון להבין את התהליכים בעלי האנרגיה הגבוהה ביותר ביקום."

הניסוי מורכב משני מערכי גלאים – ARCA, השוכן במעמקי הים בקרבת חופי איטליה בעומק של 3450 מטר ו-ORCA, השוכן בקרבת חופי צרפת בעומק של 2450 מטר.

כל מערך מורכב ממספר קווים אנכיים לגילוי המחוברים לרצפת הים ומסודרים ברשת. עד כה הותקנו כ-50 קווים מתוך 345 המתוכננים. על כל קו נפרסו 18 מודולי חיישני אור כדוריים אשר מתעדים הבזקי אור הנוצרים על ידי חלקיקים באנרגיה גבוהה הנעים במים החשוכים של הים. נייטרינו בעצמם אינם פולטים אור – אלא מתנגשים עם אטומים, וכתוצאה מההתנגשות נוצרות חלקיקים משניים אשר פולטים אור, אותו מגלים החיישנים.

מקרה ייחודי: אירוע KM3-230213A

האירוע בעל האנרגיה האולטרה-גבוהה שכונה KM3-230213A, קרה באתר ARCA האיטלקי במהלך ניסוי מדידה ראשוני שבו פעלו 21 קווים לגילוי. בשעות הראשונות של 13 בפברואר 2023, מערך הגלאים תיעד אות מחלקיק באנרגיה גבוהה – שהתברר כמיואון – שעבר במערך תוך מספר מיקרו-שניות. מה שהבחין באירוע זה היה בהירותו יוצאת הדופן: כשליש מחיישני ARCA תיעדו פוטונים. מתוך "המופע הזוהר" הזה, צוות KM3NeT חישב את האנרגיה של המיואון בכ-120 PeV, כלומר 1.2×10^17 eV – האירוע בעל האנרגיה הגבוהה ביותר שתועד על ידי המכשיר.

מאפיין נוסף וייחודי היה כיוון התנועה של החלקיק. KM3NeT תיעד באופן קבוע מיואונים – רובם נובעים מקרניים קוסמיות החודרות לאטמוספירה העליונה של כדור הארץ. אולם, המיואון של האירוע KM3-230213A לא התאימה לתבנית של מיואון מקרניים קוסמיות – הוא הגיע ממערב, בזווית קרובה מאוד לאופק. כיוון זה מעיד על כך שהמיואון נוצר כתוצאה מהתנגשות נייטרינו עם אטום במעמקי הים הסובב את המכשיר. "כשמסתכלים על הכיוון והאנרגיה, ההסבר היחיד ההגיוני הוא שנגרם על ידי נייטרינו", הוסיף קוייל.

אמנם לא ניתן למדוד את האנרגיה המדויקת של הנייטרינו, אך ברור שהיא חייבת להיות גבוהה מזו של המיואון שנוצר בעקבותיו. על פי המודלים, מחברי המחקר מעריכים כי אנרגיית הנייטרינו הייתה 220 PeV – מה שמקנה לה אנרגיה הגבוהה פי 30,000 מהאנרגיה שהצליחו להגיע אליה בפיצוצי חלקיקים במאיצים החזקים ביותר שבידינו. הייזבור השווה כי נייטרינו בודד זה נושא אנרגיה השווה לכמות האנרגיה שתקבל כדור פינג-פונג הנופל מגובה של מטר אחד.

השוואה למכשירי גילוי אחרים

Ignacio Taboada, פיסיקאי ממכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה ודובר ניסוי IceCube באנטארקטיקה (שגם הוא פועל במערך גלאים דומה, אולם בתוך קרח במקום מים), ציין כי: "IceCube, שפועל כבר 14 שנים, תיעד נייטרינו באנרגיות עד 10 PeV, אך לא אירועים בטווח של 100 PeV." טאבואדה, שאינו מעורב בניסוי KM3NeT, הוסיף כי לעיתים נצפות באירועים יוצאי דופן בשלבים הראשוניים של ניסויים – מה שעלול להצביע על סטייה סטטיסטית או על קיום של זרם חלקיקי נייטרינו גבוה מהמצופה.

מאפייני האירוע

אנרגיות קיצוניות בהשוואה למאיצי חלקיקים:  אנרגיית הנייטרינו המוערכת ב-220 PeV היא גבוהה פי 30,000 מזו שניתן להגיע אליה במאיצי חלקיקים מודרניים. עובדה זו מצביעה על תהליכים קוסמיים עוצמתיים ביותר שאינם ניתנים לשחזור במעבדה.

מקור קוסמי:  העובדה שהנייטרינו הגיע מזווית כמעט אופקית מצביעה על כך שנוצר באינטראקציה עם אטום במעמקי הים, מה שתומך בהשערה שמקורו הוא קוסמי. זיהוי כיוון ההגעה של חלקיקי נייטרינו מאפשר לאסטרופיזיקאים לנסות ולהצביע על מקורות אפשריים כמו בלייזרים, סופרנובות או התפרצויות גמא.

חשיבות סטטיסטית:  המקרה המתואר, אשר נצפה כאשר רק 10% ממערך הגלאים היה מותקן, עשוי להצביע על תופעה נדירה או – בהינתן נתונים עתידיים – על זרם חלקיקי נייטרינו גבוה מהמצופה. על פי הערכות, ישנה רק סיכוי של 1% לתפיסת נייטרינו כזה במהלך מסע המדידות הראשוני, מה שמעלה שאלות על מודלים קיימים בתחום.

השוואה עם ניסויים אחרים:  לעומת ניסוי IceCube באנטארקטיקה, אשר תיעד חלקיקי נויטרינו עד 10 PeV במהלך 14 שנות פעילות, גילוי זה מעמיד את KM3NeT במרכז הדיון על מקורות אנרגיה קוסמיים ועל תהליכים המאיצים חלקיקים ביקום.

השלכות עתידיות ומסקנות

אם יתגלו עוד חלקיקי נייטרינו באנרגיות אולטרה-גבוהות, הדבר יכול להעניק תובנות חדשות על האצה של חלקיקים ביקום. חלקיקי נייטרינו באנרגיה גבוהה צפויים להיווצר במהלך תהליכי האצה של קרניים קוסמיות. באפשרות זו, נייטרינו האירוע KM3-230213A עשוי להיות שליח מרוחק ממקור קרניים קוסמיות כגון התפוצצות של סופרנובה או התפרצות גמא. מחברי KM3NeT בחנו את השמיים בסביבת כיוון הגעתו של הנייטרינו ולא מצאו סימנים לסופרנובות בתוך גלקסייתנו, אך זיהו מקורות אקסטרה-גלקטיים פוטנציאליים – בין היתר בלייזרים (ליבות זוהרות של גלקסיות פעילות). ניתוח נוסף עשוי לזהות את המקור הסביר ביותר.

אפשרות נוספת היא שחלקיקי הנייטרינו באנרגיה גבוהה נובעים מהתנגשות קרניים קוסמיות עם פוטונים מהרקע הקוסמי המיקרוגל – תהליך שמנבא יצירת אוכלוסיה של חלקיקי נייטרינו קוסמוגניים, בעל אנרגיות המשתרעות בין טווח הפטה-וולט (10^15 eV) ועד לטווח האקסה-וולט (10^18 eV ומעלה). מדה סלצברג , מומחה חלקיקי נייטרינו מה-UCLA, שאינו מעורב ב-KM3NeT, הסביר: "ישנו זרם מובטח של חלקיקים כאלה, אך היקפו המדוייק לא ידועה." הוא הוסיף כי אם אירועים כמו KM3-230213A יתגלו שוב, ייתכן שזו תהיה עדות למקור לקרניים קוסמיות באנרגיה גבוהה יותר מהמצופה.

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

• איזו קלאסה, יש לי מסה! – נובל בפיזיקה למדענים שחשפו את סודות הנייטרינו
• לראשונה זוהה חלקיק נייטרינו שהגיע אלינו מסביבת חור שחור סופר מאסיבי
• אדוות רפאים בחלל
• האם השעון הגיאולוגי הבנוי על מחצית החיים של חומרים רדיואקטיביים צריך לעבור כיול מחדש?
• מתקן ענק בסין יחקור את חלקיקי הנייטרינו – בעיקר אלו הנוצרים מתחנות כוח גרעיניות