Από τον πάγο της Ανταρκτικής έως τον βυθό της Μεσογείου, η αναζήτηση των νετρίνων αστροφυσικής προέλευσης εξελίσσεται σε διεθνή προσπάθεια. Το φετινό Νόμπελ Φυσικής τιμά τον Φράνσις Χάλτσεν για τη συμβολή του στο τηλεσκόπιο νετρίνων IceCube, ενώ στο αντίστοιχο πείραμα KM3NeT συμμετέχει και το Εθνικό Κέντρο Φυσικών Επιστημών (ΕΚΕΦΕ) «Δημόκριτος».
Τον Φεβρουάριο του 2025 το KM3NeT βρέθηκε στο εξώφυλλο του «Nature», όταν εντόπισε το υψηλότερης ενέργειας κοσμικό νετρίνο που έχει παρατηρηθεί ποτέ, το KM3-230213A, με ενέργεια 30 φορές μεγαλύτερη από οποιοδήποτε άλλο νετρίνο έχει εντοπιστεί. Η ανίχνευση έδωσε επίσης την πρώτη απόδειξη ότι νετρίνα τόσο υψηλών ενεργειών παράγονται στο Σύμπαν, προσφέροντας στοιχεία για βίαια γεγονότα έξω από τον Γαλαξία μας.
«Η αστρονομία νετρίνων μόλις τώρα ξεκινάει», λέει η Αικατερίνη Τζαμαριουδάκη, διευθύντρια ερευνών του Ινστιτούτου Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», η οποία συμμετέχει στο KM3NeT.
«Μέχρι πρόσφατα η γνώση μας για το Σύμπαν προερχόταν κυρίως από δύο είδη “αγγελιοφόρων”, τα φωτόνια και τα φορτισμένα σωματίδια, δηλαδή τις κοσμικές ακτίνες, όμως η μελέτη των νετρίνων, που δεν εκτρέπονται από τα διαστρικά μαγνητικά πεδία και δεν απορροφώνται, ανοίγει μια νέα δυνατότητα για την απάντηση θεμελιωδών ερωτημάτων σχετικά με την προέλευση και τη φύση των κοσμικών ακτίνων», σημειώνει η ίδια. Όπως προσθέτει, «ο συνδυασμός πληροφοριών που προέρχονται από διαφορετικούς αγγελιοφόρους είναι ένα νέο, ισχυρό εργαλείο για την κατανόηση των διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα στα αστροφυσικά φαινόμενα του Σύμπαντος».
Νετρίνα, οι αόρατοι αγγελιοφόροι
Όταν σκεφτόμαστε το Σύμπαν, το μυαλό πηγαίνει σε αστέρια, γαλαξίες και αχανείς σκοτεινές περιοχές, όμως τα νετρίνα κινούνται αόρατα μέσα σε αυτήν την κοσμική απεραντοσύνη. Πρόκειται για μικροσκοπικά υποατομικά σωματίδια με εξαιρετικά μικρή μάζα και χωρίς ηλεκτρικό φορτίο, που μπορούν να ταξιδεύουν ανεμπόδιστα από τα πιο απομακρυσμένα σημεία του Σύμπαντος. Παρότι είναι το δεύτερο πιο άφθονο σωματίδιο στο Σύμπαν μετά τα φωτόνια, αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη, με αποτέλεσμα κάθε δευτερόλεπτο δισεκατομμύρια από αυτά να περνούν μέσα μας χωρίς να αφήνουν ίχνη.
Τα νετρίνα παράγονται σε μεγάλο εύρος ενεργειών και μέσα από διαφορετικές διεργασίες, από την πυρηνική σύντηξη στον Ήλιο μας μέχρι συγκρούσεις σωματιδίων σε κατακλυσμικά κοσμικά γεγονότα, όπως η έκρηξη άστρων ή η δραστηριότητα μαύρης τρύπας. Η πορεία τους παραμένει αδιατάρακτη και έτσι λειτουργούν ως κοσμικοί αγγελιοφόροι, μεταφέροντας πληροφορίες απευθείας από την αστροφυσική πηγή τους στους ανιχνευτές στη Γη.
Από την Ανταρκτική στη Μεσόγειο
Η ανίχνευση κοσμικών νετρίνων, που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στον εντοπισμό και την ερμηνεία βίαιων αστροφυσικών φαινομένων στο Σύμπαν, απαιτεί πολύ μεγάλα παρατηρητήρια τοποθετημένα βαθιά κάτω από το νερό ή μέσα στον πάγο, τα οποία αναζητούν αμυδρές λάμψεις φωτός ως σημάδια της παρουσίας τους.
Ο βραβευμένος με Νόμπελ Φράνσις Χάλτσεν πρότεινε τη χρήση του πάγου ως μέσου ανίχνευσης για αστροφυσικά νετρίνα υψηλής ενέργειας και η συμβολή του ήταν καθοριστική για την κατασκευή του τηλεσκοπίου νετρίνων IceCube στην Ανταρκτική.
Η ανίχνευση 28 νετρίνων υψηλής ενέργειας προερχόμενων από το εξωτερικό του Ηλιακού Συστήματος το 2013 αποτέλεσε την πρώτη τεκμηριωμένη απόδειξη νετρίνων αστροφυσικής προέλευσης. Από τότε, το IceCube έχει αναφέρει την πρώτη ισχυρή ένδειξη εκπομπής νετρίνων από δύο γαλαξίες, καθώς και από τον δικό μας Γαλαξία.
Η αντίστοιχη ευρωπαϊκή υποδομή ανίχνευσης κοσμικών νετρίνων στα βάθη της θάλασσας είναι το τηλεσκόπιο KM3NeT. Η κατασκευή του βρίσκεται ακόμη σε εξέλιξη και αναμένεται να ολοκληρωθεί το 2030, με δύο ανιχνευτές: τον ARCA, που έχει τοποθετηθεί στα βαθιά νερά της Σικελίας, και τον ORCA κοντά στην ακτή της Τουλόν στη Γαλλία. Ο ARCA, που στοχεύει στην ανίχνευση νετρίνων υψηλών ενεργειών από γαλαξιακές και εξωγαλαξιακές πηγές και έκανε την ανακάλυψη του υψηλότερης ενέργειας κοσμικού νετρίνου, θα καταλαμβάνει στην τελική του διάταξη όγκο ενός κυβικού χιλιομέτρου. Ενδεικτικό των δυνατοτήτων του είναι ότι η ανακάλυψη του νετρίνου έγινε με μόλις το ένα δέκατο της τελικής του διάταξης.
Η κ. Τζαμαριουδάκη εξηγεί ότι «εξαιτίας της εξαιρετικής του ακρίβειας στον προσδιορισμό της κατεύθυνσης των νετρίνων, το τηλεσκόπιο νετρίνων KM3NeT/ARCA θα συνεισφέρει ουσιαστικά όχι μόνο στην ανίχνευση νετρίνων υψηλής ενέργειας, αλλά επίσης θα ενισχύσει σημαντικά την ικανότητα εντοπισμού των αστροφυσικών πηγών από τις οποίες προέρχονται και συνεπώς την κατανόηση των βίαιων φαινομένων στο Σύμπαν».
Το πείραμα αυτό συνεχίζει τρία πιλοτικά πειράματα για την ανίχνευση νετρίνων που έχουν ολοκληρωθεί, ένα εκ των οποίων ήταν το πείραμα Nestor στην Πύλο, ενώ τα άλλα δύο πραγματοποιήθηκαν στη νότια Γαλλία και τη Σικελία.
Η διεθνής κοινοπραξία KM3NeT συγκεντρώνει περισσότερους από 360 επιστήμονες από 68 ιδρύματα, ανάμεσά τους και τον «Δημόκριτο», από 22 χώρες σε όλο τον κόσμο. Το Εθνικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής INFN στην Ιταλία, εταίρος του προγράμματος που συγκεντρώνει όλα τα δεδομένα από τον ARCA, ανέφερε στην ανακοίνωσή του για το Νόμπελ Φυσικής στον Φράνσις Χάλτσεν ότι το φετινό βραβείο «αποτελεί σημαντική αναγνώριση για ολόκληρη την κοινότητα της φυσικής νετρίνων και της φυσικής αστροσωματιδίων».
Η ομάδα του Ινστιτούτου Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» που συμμετέχει στην έρευνα αποτελείται από τον διευθυντή του Ινστιτούτου, Χρήστο Μάρκου, την Αικατερίνη Τζαμαριουδάκη, την ερευνήτρια Ευαγγελία Δρακοπούλου, τεχνικό προσωπικό και φοιτητές και έχει κομβικό ρόλο στην κατασκευή, τη λειτουργία, την ανάλυση δεδομένων και το management του πειράματος KM3NeT.
Μαρία Κουζινοπούλου
* Οι φωτογραφίες απεικονίζουν ένα οπτικό στοιχείο του KM3NeT. Credit: KM3NeT
