Przez nasze ciała w każdej sekundzie przelatują miliardy neutrin. Nie czujemy ich obecności, nie zostawiają śladów i niemal nigdy nie oddziałują z materią. Powstają w Słońcu, podczas wybuchów supernowych, w reakcjach zachodzących w atmosferze Ziemi, a także w najbardziej gwałtownych procesach zachodzących we Wszechświecie. Większość z nich pozostaje dla nas praktycznie niewidoczna.
Dlatego gdy 13 lutego 2023 roku głęboko pod wodami Morza Śródziemnego zarejestrowano niezwykle silny sygnał, naukowcy od razu wiedzieli, że mają do czynienia z czymś wyjątkowym. Początkowo nikt nie chciał wyciągać pochopnych wniosków. Dane analizowano przez niemal dwa lata, porównując je z symulacjami komputerowymi i sprawdzając, czy sygnału nie da się wyjaśnić w bardziej prozaiczny sposób. Dopiero gdy wykluczono wszystkie najbardziej prawdopodobne scenariusze, wyniki trafiły do recenzji naukowej i zostały opublikowane na łamach prestiżowego czasopisma "Nature". Wniosek był jednoznaczny: detektor KM3NeT zarejestrował najbardziej energetyczne neutrino, jakie kiedykolwiek udało się wykryć.
W dziale Nauka warto też zajrzeć do materiału Po raz pierwszy wykryto pola magnetyczne na egzoplanetach. To przełom, który może zmienić poszukiwania życia we Wszechświecie Po raz pierwszy w historii naukowcy uzyskali bezpośrednie dowody na….
To nie był kolejny rekord do wpisania do tabeli. Takie zdarzenie może pomóc odpowiedzieć na jedno z najważniejszych pytań współczesnej astrofizyki: jakie obiekty we Wszechświecie są zdolne rozpędzać cząstki do energii, których nie potrafimy osiągnąć nawet w największych laboratoriach na Ziemi?
Cząstka, która niemal nie istnieje dla otaczającego świata
Neutrino należy do grona cząstek elementarnych, czyli podstawowych składników materii, których według obecnego stanu wiedzy nie da się podzielić na mniejsze elementy. Po raz pierwszy jego istnienie zaproponował w 1930 roku austriacki fizyk Wolfgang Pauli. Chciał wyjaśnić zagadkę związaną z rozpadem promieniotwórczym. W pomiarach brakowało części energii i pędu, a obowiązujące prawa fizyki mówiły jasno, że nie mogą one po prostu zniknąć. Pauli zaproponował więc istnienie nowej, niemal niewidzialnej cząstki. Był to odważny pomysł. Sam naukowiec miał później żartować, że postulował istnienie czegoś, czego prawdopodobnie nigdy nie uda się wykryć. Kilkadziesiąt lat później okazało się, że miał rację.
Dziś wiemy, że istnieją trzy rodzaje neutrin, nazywane smakami: elektronowe, mionowe i taonowe. Co więcej, potrafią one zmieniać swoją tożsamość podczas lotu przez przestrzeń kosmiczną. Zjawisko to, określane jako oscylacje neutrin, było jednym z największych odkryć fizyki przełomu XX i XXI wieku i przyniosło Nagrodę Nobla w 2015 roku. Jeszcze do końca lat 90. sądzono, że neutrina nie mają masy. Dzisiaj wiadomo, że ją posiadają, choć jest ona tak niewielka, że nadal nie potrafimy określić jej z pełną dokładnością. Wiemy jedynie, że jest ponad milion razy mniejsza od masy elektronu. Jednak to nie masa czyni neutrina wyjątkowymi. Najbardziej niezwykłą cechą tych cząstek jest sposób, w jaki oddziałują z materią.
Dlaczego neutrina nazywa się "cząstkami duchami"?
Wyobraźmy sobie, że wystrzeliwujemy kulkę przez gęsty las. Prędzej czy później uderzy w drzewo. Elektron lub proton zachowują się podobnie: łatwo oddziałują z otoczeniem i stosunkowo szybko zderzają się z innymi cząstkami. Neutrino działa zupełnie inaczej. Jest elektrycznie obojętne i uczestniczy jedynie w oddziaływaniach słabych oraz grawitacyjnych. W praktyce oznacza to, że prawdopodobieństwo zderzenia z atomem jest niezwykle małe.
Każdej sekundy przez powierzchnię wielkości paznokcia kciuka przelatuje około 60 miliardów neutrin pochodzących ze Słońca. Mimo to praktycznie wszystkie opuszczają nasze ciało, nie pozostawiając najmniejszego śladu. Dla neutrina Ziemia jest niemal przezroczysta. Może przelecieć przez całą planetę, liczącą ponad 12 tysięcy kilometrów średnicy, i z ogromnym prawdopodobieństwem nie zderzyć się z żadnym atomem. To właśnie dlatego fizycy często mówią o nich "ghost particles", czyli cząstkach duchach. Nie dlatego, że są tajemnicze, ale dlatego, że niemal nie zauważają istnienia otaczającego je świata. Ta niezwykła właściwość ma jednak swoją cenę: jeżeli neutrina prawie nigdy z niczym nie oddziałują, ich wykrycie staje się jednym z najtrudniejszych zadań współczesnej fizyki.
Jak złapać cząstkę, która nie chce zostać złapana?
Na pierwszy rzut oka pomysł wydaje się absurdalny. Jeżeli neutrino niemal zawsze przelatuje przez materię, to jak można je zaobserwować? Odpowiedź brzmi: trzeba uzbroić się w cierpliwość i zbudować gigantyczny detektor. Im większa objętość materiału, przez który przelatują neutrina, tym większa szansa, że jedno z nich w końcu zderzy się z atomem. Z tego powodu największe obserwatoria neutrin znajdują się pod lodem Antarktydy, głęboko pod ziemią lub na dnie mórz i oceanów.
Jednym z nich jest właśnie KM3NeT. To europejski projekt budowany na dnie Morza Śródziemnego. Nazwa pochodzi od planowanej objętości instrumentu, która docelowo ma wynosić około jednego kilometra sześciennego. Nie jest to jeden wielki teleskop. KM3NeT przypomina raczej podwodny las złożony z setek pionowych lin zakotwiczonych w morskim dnie. Na każdej z nich umieszczono dziesiątki kulistych modułów optycznych, a wewnątrz każdego z nich znajduje się 31 niezwykle czułych fotopowielaczy, czyli detektorów zdolnych rejestrować pojedyncze fotony światła. Po zakończeniu budowy cały system będzie liczył kilka tysięcy takich modułów i ponad dwieście tysięcy fotopowielaczy, tworząc jeden z największych instrumentów naukowych na świecie.
Rekordowe neutrino wykrył detektor ARCA, znajdujący się około 80 kilometrów od wybrzeża Sycylii, na głębokości blisko 3450 metrów. Na takiej głębokości panują niemal idealne warunki do obserwacji. Gruba warstwa wody skutecznie tłumi większość promieniowania pochodzącego z atmosfery, ograniczając liczbę fałszywych sygnałów. Jednocześnie sama woda staje się materiałem, w którym od czasu do czasu neutrino może zderzyć się z atomem tlenu lub wodoru. Choć prawdopodobieństwo takiego zderzenia jest niezwykle małe, miliardy miliardów neutrin nieustannie przemierzają Wszechświat. W końcu jedno z nich trafia na swojej drodze na atom. I właśnie wtedy zaczyna się prawdziwa historia.
Rekord, którego nikt się nie spodziewał
13 lutego 2023 roku był dla zespołu KM3NeT zwykłym dniem pracy. Podwodny detektor nieustannie przesyłał ogromne ilości danych z tysięcy fotopowielaczy rozmieszczonych na dnie Morza Śródziemnego. Większość rejestrowanych sygnałów stanowiło tło, czyli cząstki pochodzące z promieniowania kosmicznego docierającego do atmosfery Ziemi. Od czasu do czasu pojawiały się również sygnały wywołane przez neutrina. To właśnie po nie zbudowano całe obserwatorium.
Tego dnia komputer wychwycił jednak zdarzenie, które od razu zwróciło uwagę badaczy. Nie dlatego, że wyglądało niezwykle efektownie. Wręcz przeciwnie: początkowo przypominało wiele innych zdarzeń rejestrowanych przez podobne detektory. Dopiero dokładna rekonstrukcja pokazała coś zaskakującego. Ślad pozostawiony przez cząstkę był wyjątkowo długi, a liczba zarejestrowanych błysków światła znacznie większa niż zwykle. Wszystko wskazywało na to, że przez detektor przeleciał mion o niewyobrażalnie wysokiej energii. To właśnie temu zdarzeniu nadano później oznaczenie KM3-230213A.
Naukowcy nie zobaczyli neutrina
To może wydawać się paradoksalne, ale fizycy nie obserwują neutrin bezpośrednio. Nie istnieje kamera, która potrafiłaby sfotografować taką cząstkę. Neutrino pozostaje praktycznie niewidzialne aż do chwili, gdy przypadkiem zderzy się z jądrem atomowym. W przypadku KM3NeT doszło właśnie do takiego niezwykle rzadkiego zderzenia. Neutrino uderzyło w atom znajdujący się w wodzie morskiej, a efektem tej kolizji było powstanie mionu. To cięższy kuzyn elektronu, który poruszał się z ogromną prędkością przez wodę otaczającą detektor. I właśnie ten mion został zarejestrowany.
Z tego samego działu (Nauka) polecamy lekturę Kometa, która mogła zniszczyć samą siebie. Astronomowie przyjrzeli się niezwykłemu rozpadowi 240P/NEAT Komety kojarzą się z widowiskowymi warkoczami i podróżą przez Układ….
Dlaczego w wodzie pojawił się błękitny błysk?
Mion poruszał się szybciej, niż światło rozchodzi się w wodzie. Na pierwszy rzut oka brzmi to jak zaprzeczenie teorii względności, ale nim nie jest. Albert Einstein udowodnił, że nic nie może przekroczyć prędkości światła w próżni, wynoszącej około 300 tysięcy kilometrów na sekundę. W wodzie światło zwalnia do około 225 tysięcy kilometrów na sekundę. Jeżeli więc wysokoenergetyczna cząstka porusza się szybciej od światła w danym ośrodku, powstaje charakterystyczna fala świetlna zwana promieniowaniem Czerenkowa. To zjawisko można porównać do gromu dźwiękowego powstającego, gdy samolot przekracza prędkość dźwięku. Zamiast huku pojawia się jednak stożek niebieskiego światła.
To właśnie ten błękitny błysk rejestrują tysiące fotopowielaczy rozmieszczonych w detektorze KM3NeT. Każdy z nich zapisuje moment dotarcia pojedynczych fotonów z dokładnością liczoną w nanosekundach. Komputer zestawia później miliony takich informacji i odtwarza trajektorię mionu niemal centymetr po centymetrze. Na tej podstawie można oszacować nie tylko kierunek lotu cząstki, ale również jej energię.
220 PeV. Liczba, która zaskoczyła fizyków
Pierwsze obliczenia sugerowały, że mion niósł energię około 120 petaelektronowoltów (PeV). To już samo w sobie byłoby wynikiem bezprecedensowym. Mion nie powstał jednak z niczego. Był produktem zderzenia neutrina z atomem wody, a podczas takiej kolizji część energii zawsze zostaje przekazana innym cząstkom. Oznaczało to, że pierwotne neutrino musiało być jeszcze bardziej energetyczne. Po przeprowadzeniu szczegółowych analiz badacze oszacowali jego energię na około 220 PeV, czyli 220 milionów miliardów elektronowoltów.
To wartość trudna do wyobrażenia. Dla porównania, protony rozpędzane w Wielkim Zderzaczu Hadronów osiągają energię około 6,8 teraelektronowolta na wiązkę. Rekordowe neutrino niosło więc energię przekraczającą możliwości największego akceleratora świata o kilka rzędów wielkości. Jeszcze bardziej zaskakuje fakt, że cała ta energia była skupiona w pojedynczej cząstce elementarnej. Profesor Paschal Coyle z KM3NeT obrazowo porównał ją do energii piłeczki pingpongowej spadającej z wysokości około jednego metra. Różnica polega na tym, że w tym przypadku cała energia została skumulowana w obiekcie niemal niewyobrażalnie małym. To właśnie dlatego fizycy uznali wynik za przełomowy.
Czy to naprawdę był rekord?
Tak. Przed publikacją wyników naukowcy wielokrotnie sprawdzali, czy nie doszło do błędu pomiarowego. Analizowano pracę wszystkich modułów optycznych. Porównywano wyniki z zaawansowanymi symulacjami komputerowymi. Sprawdzano, czy podobny sygnał mogła wywołać inna cząstka. Dopiero gdy wszystkie testy dały zgodne rezultaty, badacze zdecydowali się opublikować wyniki. Według autorów pracy istnieje bardzo wysokie prawdopodobieństwo, że rzeczywiście zarejestrowano neutrino o energii około 220 PeV. To ponad trzydzieści razy więcej niż energia najwyżej energetycznego neutrina wykrytego wcześniej przez obserwatorium IceCube na Antarktydzie. Dla astronomii neutrin oznacza to wejście w zupełnie nowy zakres energii, którego do tej pory praktycznie nie badano.
Skąd mogła pochodzić ta niezwykła cząstka?
Tutaj zaczyna się prawdziwa zagadka. Neutrino nie zostawia za sobą świecącego śladu prowadzącego do źródła. Naukowcy potrafią jednak z dużą dokładnością określić kierunek, z którego nadleciało. W przypadku KM3-230213A wszystko wskazuje na to, że cząstka przybyła spoza naszej galaktyki. To ważna informacja. Neutrina praktycznie nie zmieniają kierunku lotu podczas podróży przez przestrzeń kosmiczną. Nie zakrzywiają ich pola magnetyczne, które silnie wpływają na promienie kosmiczne. Można więc powiedzieć, że lecą niemal idealnie po prostej od miejsca narodzin aż do detektora na Ziemi.
Problem polega na tym, że w kierunku, z którego nadleciało rekordowe neutrino, nie znaleziono jednego oczywistego źródła. To oznacza, że zagadka pozostaje nierozwiązana.
Co mogło rozpędzić neutrino do tak ogromnej energii? Fizycy rozważają obecnie kilka scenariuszy. Najbardziej prawdopodobny prowadzi do aktywnych jąder galaktyk. W centrach takich galaktyk znajdują się supermasywne czarne dziury o masach liczonych w milionach, a czasem miliardach mas Słońca. Opadająca na nie materia tworzy gorący dysk akrecyjny, a część gazu zostaje wyrzucona w przestrzeń w postaci potężnych dżetów plazmy poruszających się niemal z prędkością światła. W takich warunkach mogą zachodzić zderzenia protonów i innych cząstek prowadzące do narodzin neutrin o ekstremalnych energiach.
Drugim kandydatem są tak zwane neutrina kosmogeniczne. Powstają one podczas zderzeń ultrawysokoenergetycznych promieni kosmicznych z fotonami mikrofalowego promieniowania tła, czyli najstarszego światła we Wszechświecie, będącego pozostałością po Wielkim Wybuchu. Ich istnienie przewidziano teoretycznie już wiele lat temu, ale do dziś nie udało się jednoznacznie potwierdzić ich obserwacji. Jeżeli KM3-230213A rzeczywiście należy do tej grupy, byłby to jeden z najważniejszych wyników współczesnej astrofizyki. Istnieją również bardziej egzotyczne hipotezy, między innymi związane z rozpadem superciężkiej ciemnej materii. Na obecnym etapie badań brakuje jednak danych, które pozwalałyby traktować takie wyjaśnienia jako bardziej prawdopodobne od klasycznych scenariuszy.
Jedna cząstka, która może zmienić astronomię
Na pierwszy rzut oka może wydawać się, że wykrycie pojedynczego neutrina niewiele zmienia. W końcu astronomowie każdego dnia rejestrują miliony nowych obserwacji, a teleskopy wykonują tysiące zdjęć odległych galaktyk. Problem polega na tym, że światło nie zawsze dociera do nas z miejsc, które chcielibyśmy badać. Pył międzygwiazdowy potrafi skutecznie zasłonić wnętrza galaktyk. Gęste obłoki gazu pochłaniają część promieniowania, a wysokoenergetyczne promienie kosmiczne podczas swojej podróży zmieniają kierunek pod wpływem pól magnetycznych. Gdy docierają do Ziemi, często nie da się już ustalić, skąd naprawdę przyleciały.
Neutrina zachowują się zupełnie inaczej. Nie mają ładunku elektrycznego, dlatego pola magnetyczne praktycznie nie wpływają na ich tor lotu. Jednocześnie niemal nie oddziałują z materią, dzięki czemu potrafią opuścić miejsca, z których światło nie ma szans się wydostać. Można powiedzieć, że są naturalnymi posłańcami najbardziej ekstremalnych zjawisk zachodzących we Wszechświecie. Jeżeli uda się ustalić, skąd przyleciało dane neutrino, naukowcy otrzymują bezpośrednią wskazówkę prowadzącą do źródła jednych z najpotężniejszych procesów we Wszechświecie.
Jeśli ten wątek Cię wciąga, sprawdź też Dlaczego w kosmosie jest próżnia i co to naprawdę znaczy? Fizyczna natura „pustki” Wszechświata Kiedy patrzymy w nocne niebo, kosmos intuicyjnie wydaje się ogromną….
Nowa era obserwacji kosmosu
Jeszcze kilkanaście lat temu astronomia opierała się głównie na analizie światła. Dzisiaj naukowcy mówią o astronomii wieloaspektowej (ang. multi-messenger astronomy), która polega na jednoczesnym obserwowaniu tego samego zjawiska za pomocą różnych "posłańców": światła widzialnego, fal radiowych, promieniowania rentgenowskiego i gamma, a coraz częściej także fal grawitacyjnych oraz neutrin. Każdy z tych sygnałów dostarcza innych informacji. Światło pokazuje temperaturę i skład obiektów. Fale grawitacyjne zdradzają zderzenia czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Neutrina mogą natomiast wskazać miejsca, w których dochodzi do przyspieszania cząstek do energii nieosiągalnych dla ziemskich laboratoriów. Dopiero połączenie wszystkich tych danych pozwala stworzyć pełniejszy obraz zachodzących procesów.
Dobrym przykładem było wydarzenie z 2017 roku, gdy po raz pierwszy udało się jednocześnie zarejestrować fale grawitacyjne i promieniowanie elektromagnetyczne pochodzące ze zderzenia dwóch gwiazd neutronowych. To odkrycie uznano za początek nowej epoki badań kosmosu. Fizycy liczą, że w przyszłości podobne znaczenie będą miały również obserwacje wysokoenergetycznych neutrin.
KM3NeT dopiero się rozkręca
Najciekawsze jest to, że detektor odpowiedzialny za rekordowe odkrycie wciąż nie osiągnął swojej docelowej wielkości. KM3NeT jest nadal rozbudowywany. Każda nowa linia z modułami optycznymi zwiększa czułość całego obserwatorium i poprawia zdolność określania kierunku, z którego nadlatują neutrina. To oznacza, że podobnych odkryć może być w przyszłości znacznie więcej. Im większa liczba zarejestrowanych zdarzeń, tym łatwiej będzie odróżnić przypadkowe sygnały od rzeczywistych źródeł kosmicznych.
Naukowcy liczą również na współpracę z innymi obserwatoriami, między innymi antarktycznym IceCube oraz przyszłymi teleskopami nowej generacji. Jeżeli kilka niezależnych detektorów zarejestruje neutrina pochodzące z tego samego obiektu, będzie można znacznie dokładniej określić miejsce ich narodzin. To z kolei pozwoli skierować w ten punkt teleskopy obserwujące niebo w świetle widzialnym, promieniowaniu rentgenowskim czy falach radiowych.
Czy rekord zostanie szybko pobity?
To całkiem możliwe. Wszechświat regularnie zaskakuje astronomów. Jeszcze kilkanaście lat temu wykrycie neutrina o energii jednego petaelektronowolta wydawało się ogromnym sukcesem. Dzisiaj mówimy już o około 220 PeV. Nie można wykluczyć, że istnieją jeszcze bardziej energetyczne neutrina, których po prostu dotąd nie udało się zarejestrować. Problem nie polega na tym, że ich nie ma. Problem polega na tym, że są niezwykle rzadkie. Może minąć kilka miesięcy, kilka lat, a nawet dłużej, zanim podobne zdarzenie zostanie ponownie zaobserwowane. To właśnie dlatego każde pojedyncze wykrycie ma tak dużą wartość naukową.
Nie rekord jest tutaj najważniejszy
Łatwo skupić się na liczbie 220 PeV i traktować całe odkrycie jak kolejną pozycję w księdze rekordów. W rzeczywistości znaczenie tego wyniku jest znacznie większe. Fizycy od dawna wiedzą, że we Wszechświecie istnieją naturalne akceleratory cząstek przewyższające możliwości największych laboratoriów zbudowanych przez człowieka. Nie wiedzą jednak dokładnie, gdzie się znajdują ani jak działają. Rekordowe neutrino jest kolejnym dowodem na to, że takie obiekty naprawdę istnieją. Każde następne podobne wykrycie będzie zawężało listę możliwych źródeł i pozwoli lepiej zrozumieć procesy zachodzące w pobliżu supermasywnych czarnych dziur, rozbłysków gamma czy innych ekstremalnych zjawisk.
W tym sensie rekordowe neutrino nie zamknęło żadnej naukowej dyskusji. Wręcz przeciwnie: pokazało, jak wiele pytań nadal pozostaje bez odpowiedzi. I właśnie dlatego fizycy uznają je za jedno z najważniejszych odkryć ostatnich lat.
Czy w przyszłości neutrina pomogą rozwiązać kolejne zagadki? To bardzo prawdopodobne. Każda nowa generacja detektorów jest większa, bardziej czuła i potrafi rejestrować coraz słabsze sygnały. Jeżeli rozwój tej technologii utrzyma obecne tempo, w ciągu najbliższych kilkunastu lat astronomowie mogą dysponować katalogiem tysięcy wysokoenergetycznych neutrin pochodzących z różnych zakątków Wszechświata. Dzięki temu będzie można nie tylko wskazywać miejsca narodzin najbardziej ekstremalnych cząstek, ale również testować modele opisujące ewolucję galaktyk, zachowanie czarnych dziur i pochodzenie promieniowania kosmicznego o najwyższych energiach.
Historia neutrin pokazuje zresztą, że największe odkrycia często zaczynają się od pojedynczego, pozornie niepozornego sygnału. Tak było z pierwszym wykryciem neutrina w latach 50., z odkryciem ich oscylacji pod koniec XX wieku i z narodzinami astronomii neutrin w XXI wieku. Rekordowe zdarzenie oznaczone symbolem KM3-230213A może okazać się kolejnym krokiem na tej samej drodze. Być może za kilka lat będziemy wspominać je nie jako rekord, lecz jako moment, w którym nauczyliśmy się patrzeć na Wszechświat w zupełnie nowy sposób.
Źródła naukowe:
W archiwum WSS znajdziesz powiązany tekst Wszechświat nadal się nie zgadza. Najnowsze pomiary tylko pogłębiają jedną z największych zagadek kosmologii Międzynarodowy zespół astronomów doprecyzował wartość tempa….
- KM3NeT Collaboration (2025). Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT. Nature, 638, 376–382. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08543-1
- KM3NeT Collaboration. First detection of an ultra-high-energy neutrino. Oficjalny komunikat prasowy projektu KM3NeT.
- Castelvecchi, D. (2025). Record-breaking neutrino is most energetic ever detected. Nature News.
- Aartsen, M. G. i in. (IceCube Collaboration). Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector. Science, 342 (2013).
- Particle Data Group. Review of Particle Physics – rozdziały dotyczące neutrin i promieniowania kosmicznego.
