Välimeren aaltojen alla Euroopan KM3NeT-neutriinoteleskooppi metsästää kosmista tietämystä. Merenpohjasta kilometrin ylöspäin ulottuvat valtavat anturitornit muodostavat laajan kolmiulotteisen ruudukon.
Sen tarkoituksena on havaita atomia pienempiä aavemaisia hiukkasia, neutriinoja. Ne ovat viestinviejiä, jotka voivat matkata esteettä maailmankaikkeuden toiselta puolen jopa planeettojen ja tähtien läpi ja tarjota vihjeitä kaukana aurinkokuntamme ulkopuolella tapahtuvista asioista.
KM3NeT havaitsi yöllä 13.2.2023 jotain huikeaa. Intensiivinen energiapurkaus paljasti jopa 30 kertaa aiempaa ennätystä suuremman energian neutriinohavainnon. Tieteilijät ovat siitä lähin yrittäneet selvittää sen alkuperää.
Alla olevalla videolla on havainnollistettu yllä kuvattu energiapurkaus ja sen havainto.
Neutriinoista esitettiin teorioita jo 1930-luvulla, ja niitä havaittiin kymmeniä vuosia myöhemmin. Ne kuuluvat maailmankaikkeuden yleisimpiin hiukkasiin, mutta niitä on hyvin vaikea havaita.
Kehojemme läpi kulkee joka sekunti miljardeja neutriinoja jättämättä jälkeäkään. Niillä ei ole sähkövarausta, ja niiden massakin on lähes olematon – ainakin miljoona kertaa kevyempi kuin elektronin –, minkä lisäksi ne vuorovaikuttavat aineen kanssa hyvin harvoin, mikä tekee niiden havaitsemisesta äärimmäisen hankalaa.
Tämä aavemaisuus tekee niistä niin kiehtovia fyysikoille.
– Neutriinot ovat tällä hetkellä kaikista mielenkiintoisimpia hiukkasia, kertoo Ranskan tieteellisen tutkimuksen keskuksen (Centre national de la recherche scientifique, CNRS) Paschal Coyle, jonka koordinoiman EU-rahoitteisen KM3NeT-INFRADEV2-projektin tarkoituksena on tukea KM3NeT:n infrastruktuurin kehitystä.
– Niitä ympäröi monia mysteerejä. Niiden ymmärrys on kaikista alkeishiukkasista heikointa.
Koska neutriinot voivat matkata maailmankaikkeuden halki imeytymättä mihinkään, ne tuovat mukanaan eheitä tietoja tiedemaailman äärimmäisimmistä ympäristöistä: räjähtävistä tähdistä, mustista aukoista ja kosmisista törmäyksistä.
Niiden tutkiminen voi paljastaa, kuinka maailmankaikkeus toimii, ja miksi ainetta ylipäänsä on olemassa.
– Neutriinot ovat lähimpänä olemattomuutta kuin voimme kuvitella, mutta ne ovat myös avain maailmankaikkeuden toiminnan ymmärtämiseen, Coyle sanoo.
Aika ajoin neutriino törmää atomin ytimeen, jolloin syntyy paljon toissijaisia hiukkasia. Tiiviissä ja läpinäkyvässä aineessa, kuten jäässä tai vedessä, tämä törmäys synnyttää heikon sinisen välähdyksen, jota kutsutaan Tšerenkovin säteilyksi. KM3NeT:n anturit on suunniteltu havaitsemaan tämä signaali.
Samaa menetelmää käytetään muissakin neutriinojen havaintoasemissa, kuten Etelämantereen IceCubessa ja Japanin Super-Kamiokandessa. IceCube skannaa syviä napajäätiköitä, kun taas KM3NeT tekee havaintoja Välimeren syvyyksissä.
KM3NeT on yksi Euroopan tutkimusinfrastruktuurihankkeiden lippulaivoista, joka lukeutuu maailman kunnianhimoisimpiin fysiikan tutkimusprojekteihin. EU:n myöntämää ja kansallista rahoitusta saavan kansainvälisen yhteishankkeen tukema projekti koostuu kahdesta laitoksesta.
Havainnekuva näyttää, kuinka teleskoopin anturit levittäytyvät merenpohjaan Edward Berbee/Nikhef
Anturit on kiinnitetty koripallon kokoisiin lasipalloihin. KM3NeT
Sisilian rannikon edustalla sijaitseva ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) on suunniteltu seuraamaan ulkoavaruudesta tulevia suuren energian neutriinoja. Ranskan Toulonin lähistöllä taas ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) keskittyy neutriinojen toiminnan ja massan tutkintaan.
Neutriinojen ymmärrys saattaisi auttaa selittämään, miksi ylipäänsä on olemassa jotakin.
Laitteistot koostuvat pystysuuntaisesti asennetuista sarjoista koripallon kokoisia lasipalloja, joissa on äärimmäisen herkät optiset anturit. Nämä tornit nousevat merenpohjasta pilvenpiirtäjien tavoin kilometrin ylöspäin. Moduuleja on asennettuna jo yli tuhat, ja vuoteen 2027 mennessä määrä on tarkoitus kasvattaa 6 000:een.
– Omituisia hiukkasia havaitsevan tunnistimen rakentaminen merenpohjaan vaikutti ensin hullulta, kertoo atomeja pienempiä hiukkasia tutkivassa alankomaalaisessa Nikhef-instituutissa työskentelevä vanhempi fyysikko Aart Heijboer, joka auttoi teleskoopin suunnittelussa.
– Se herätti mielikuvitukseni.
Kaiken tämän insinöörityön tarkoituksena on nähdä näitä harvinaisia välähdyksiä, joissa neutriinot paljastuvat.
Ranskan Touloin lähistöllä toimivan ORCA:n anturipallot asennetaan merenpohjaan erillisellä laitteistolla. KM3NeT
Alla olevalta videolta voit katsoa, miten KM3NeT:n antureita asennetaan meren pohjaan.
Vuonna 2023 havaittu neutriino KM3-230213A synnytti 220 petaelektronivoltin (PeV) energian, joka on huikean suuri yksittäiselle hiukkaselle ja lähes käsittämätön lukema hiukkasfysiikassa.
– Emme odottaneet, että löytäisimme tällaista, Coyle kertoo.
– Meidän piti suorittaa kaikenlaisia simulaatioita uudelleen.
Mistä se tuli? Se on vieläkin suuri mysteeri.
Neutriinoja syntyy erilaisissa prosesseissa, kuten auringon ydinreaktioissa, tähtien räjähdyksissä (supernovat) ja muissa suuren energian kosmisissa ilmiöissä. Yhden teorian mukaan kaikista energisimmät neutriinot saavat alkunsa blasaareissa: aktiivisissa galakseissa, joiden supermassiivisista mustista aukoista sinkoutuu energiaa kohti maapalloa.
Toinen mahdollisuus on, että maailmankaikkeuden halki matkaavat suuren energian kosmiset säteet törmäävät fotoneihin, mikä synnyttää neutriinoja. Jos KM3-230213A syntyi tällä tavalla, kosmogeeniset neutriinot saattavat olla yllättävänkin yleisiä.
– Tai meillä kävi vain tuuri, Coyle myöntää.
– Voi olla, että KM3NeT havaitsi sattumalta harvinaisen suuren energian neutriinon.
Tutkijat tarkentavat laskutoimituksia hiukkasen alkuperän jäljittämiseksi.
– Tulevina kuukausina saamme paljon tarkemman käsityksen tulosuunnasta, Heijboer ilmoittaa.
– Jos se on peräisin blasaarista, se olisi hyvin jännittävää. Jos se on kosmogeeninen, sekin on jännittävää.
Havainnekuva näyttää, kuinka laitteiston lasipalloista koostuvat tornit nousevat merenpohjasta pilvenpiirtäjien tavoin kilometrin ylöspäin. KM3NeT
ARCA metsästää näiden maailmankaikkeuden voimakkaimpien hiukkasten alkuperää, kun taas ORCA keskittyy neutriinojen taipumukseen oskilloida kolmen olomuodon välillä: elektroni, myoni ja tau.
Nämä oskillaatiot voivat paljastaa neutriinojen massahierarkian, joka on aineen alkeishiukkasia selittävän standardimallin puuttuvat palanen. Massahierarkialla tarkoitetaan järjestystä, jossa neutriinon kolme massatilaa vaihtelevat kevyimmästä raskaimpaan.
Miksi tällä on merkitystä? Neutriinojen ymmärrys saattaisi auttaa selittämään, miksi ylipäänsä on olemassa jotakin.
Alkuräjähdyksen jälkeen 13,7 miljardia vuotta sitten aineen ja antiaineen olisi pitänyt tuhota toisensa, jolloin jäljelle olisi jäänyt vain tyhjää tilaa. Ainetta kuitenkin jäi jäljelle. Neutriino voi olla avain tähän, varsinkin jos se osoittautuu omaksi antihiukkasekseen, mitä tieteilijät haluavat kovasti testata.
– Kaikissa neutriinon ja antineutriinon massan eroa mittaavissa kokeissa syntyy hämmennystä siitä, että massahierarkiaa ei tunneta, selittää Coyle.
– Tämä on tärkeä seikka sen selvittämiseksi, miksi ainetta on enemmän kuin antiainetta.
KM3NeT:n rakentamisen myötä Eurooppa on varmistanut johtavan roolin tässä globaalissa tutkimuksessa.
– Oli hyvin tärkeää, että saimme EU:lta tutkimusrahoituksen vuonna 2006, Coyle sanoo.
Sen myötä eurooppalainen ja kansallisen tason tuki auttoivat tekemään konseptista totta.
Sijoitus tuottaa jo tulosta, ja teleskoopin laajentuessa odotetaan lisää KM3-230213A:n kaltaisia havaintoja.
– Emme tiedä sen massaa, emme massahierarkiaa emmekä sitä, onko se oma antihiukkasensa, Coyle kertoo.
– Neutriino on nyt siis ensisijainen tutkimuskohde.
KM3NeT:hen aiotaan lisätä vielä tuhansia antureita, ja se vahvistaa Euroopan roolia perustavanlaatuisessa tutkimuksessa auttamalla havaitsemaan luonnon heikoimpia signaaleja.
Kukin välähdys Välimeren syvyyksissä voi sisältää viestin maailmankaikkeuden syntymästä ja jopa vihjeitä siitä, miksi mitään on ylipäätään olemassa.
Euroopan tutkimusneuvosto (ERC) on rahoittanut tämän artikkelin käsittelemän tutkimuksen. Haastateltujen näkemykset eivät välttämättä vastaa Euroopan komission näkemyksiä.
Tämä artikkeli on julkaistu alun perin EU:n tutkimus- ja innovaatiolehti Horizonissa.