Een buitengewone gebeurtenis die overeenkomt met een neutrino met een geschatte energie van ongeveer 220 PeV (220 x 1015 elektronvolt of 220 miljoen miljard elektronvolt), werd op 13 februari 2023 gedetecteerd door de ARCA-detector van de kilometer kubieke neutrinotelescoop (KM3NeT) in de diepzee. Deze gebeurtenis, KM3-230213A genaamd, is het meest energetische neutrino dat ooit is waargenomen en levert het eerste bewijs dat neutrino's met zulke hoge energieën worden geproduceerd in het heelal.
Na lang en nauwgezet werk om de experimentele gegevens te analyseren en te interpreteren, meldt het internationale wetenschappelijke samenwerkingsverband van KM3NeT vandaag, 12 februari 2025, de details van deze verbazingwekkende ontdekking in een artikel dat is gepubliceerd in Nature. Het gedetecteerde voorval werd geïdentificeerd als een enkel muon dat de hele detector doorkruiste en signalen opwekte in meer dan een derde van de actieve sensoren. De helling van de baan in combinatie met de enorme energie levert het overtuigende bewijs dat het muon afkomstig is van een kosmisch neutrino dat in de buurt van de detector interageert.
“De KM3NeT is begonnen met het onderzoeken van een energie- en gevoeligheidsbereik waar gedetecteerde neutrino's afkomstig kunnen zijn van extreme astrofysische verschijnselen. Deze allereerste detectie van een neutrino van honderden PeV opent een nieuw hoofdstuk in de neutrinoastronomie en een nieuw venster op het heelal”, zegt Paschal Coyle, KM3NeT-woordvoerder ten tijde van de detectie en onderzoeker bij CNRS Centre National de la Recherche Scientifique - Centre de Physique des Particules de Marseille, Frankrijk.
Het hoogenergetische universum is het domein van cataclysmische gebeurtenissen, zoals uitdijende superzware zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels, supernova-explosies en gammastraaluitbarstingen. Deze krachtige kosmische versnellers genereren stromen deeltjes die kosmische straling worden genoemd. Sommige kosmische stralen kunnen een wisselwerking aangaan met materie of fotonen rond de bron en zo neutrino's en fotonen produceren. Tijdens de reis van de meest energieke kosmische stralen door het heelal kunnen sommige ook een wisselwerking aangaan met fotonen van de kosmische achtergrondstraling en zo extreem energetische “kosmogene” neutrino's produceren.
“Neutrino's zijn een van de meest mysterieuze elementaire deeltjes. Ze hebben geen elektrische lading, bijna geen massa en hebben slechts een zwakke wisselwerking met materie. Het zijn speciale kosmische boodschappers die ons unieke informatie geven over de mechanismen die betrokken zijn bij de meest energetische verschijnselen en ons in staat stellen om de verste uithoeken van het heelal te verkennen”, legt Rosa Coniglione uit, KM3NeT vice-woordvoerder ten tijde van de detectie en onderzoeker aan het INFN Nationaal Instituut voor Kernfysica, Italië.
Hoewel neutrino's na fotonen het meest voorkomende deeltje in het heelal zijn, zijn ze door hun zwakke wisselwerking met materie erg moeilijk te detecteren en zijn er enorme detectoren voor nodig. De KM3NeT neutrinotelescoop, die momenteel wordt gebouwd, is een gigantische diepzee-infrastructuur verdeeld over twee detectoren ARCA en ORCA. In zijn uiteindelijke configuratie zal KM3NeT een volume van meer dan een kubieke kilometer innemen. KM3NeT gebruikt zeewater als interactiemedium voor neutrino's. De high-tech optische modules detecteren het Cherenkov licht, een blauwachtige gloed die wordt gegenereerd tijdens de voortplanting door het water van de ultra-relativistische deeltjes die worden geproduceerd in neutrino-interacties.
“Om de richting en energie van dit neutrino te bepalen, was een nauwkeurige kalibratie van de telescoop en geavanceerde algoritmen voor spoorreconstructie nodig. Bovendien werd deze opmerkelijke detectie bereikt met slechts een tiende van de definitieve configuratie van de detector, wat het grote potentieel van ons experiment aantoont voor de studie van neutrino's en voor neutrinoastronomie”, zegt Aart Heijboer, KM3NeT Physics and Software Manager ten tijde van de detectie, en onderzoeker aan het Nikhef Nationaal Instituut voor Subatomaire Fysica, Nederland.
De KM3NeT/ARCA-detector (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) is voornamelijk gericht op het bestuderen van neutrino's met de hoogste energie en hun bronnen in het heelal. Hij bevindt zich op 3450 m diepte, ongeveer 80 km van de kust van Portopalo di Capo Passero, Sicilië. De 700 m hoge detectie-eenheden (DU's) zijn verankerd op de zeebodem en staan ongeveer 100 m uit elkaar. Elke DU is uitgerust met 18 Digital Optical Modules (DOM) die elk 31 fotomultipliers (PMT's) bevatten. In zijn uiteindelijke configuratie zal ARCA 230 DU's omvatten. De verzamelde gegevens worden via een onderzeese kabel doorgestuurd naar het walstation in het INFN Laboratori Nazionali del Sud.
De KM3NeT/ORCA-detector (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) is geoptimaliseerd om de fundamentele eigenschappen van het neutrino zelf te bestuderen. Hij bevindt zich op een diepte van 2450 m, ongeveer 40 km van de kust van Toulon, Frankrijk. Hij bestaat uit 115 DU's, elk 200 m hoog en met een tussenafstand van 20 m. De gegevens die door ORCA worden verzameld, worden naar het walstation in La Seyne Sur Mer gestuurd.
“De schaal van KM3NeT, die uiteindelijk een volume van ongeveer een kubieke kilometer omvat met in totaal ongeveer 200 000 fotomultipliers, samen met de extreme locatie in de afgrond van de Middellandse Zee, toont de buitengewone inspanningen die nodig zijn om neutrinoastronomie en deeltjesfysica vooruit te helpen. De detectie van deze gebeurtenis is het resultaat van een geweldige samenwerking tussen vele internationale teams van ingenieurs, technici en wetenschappers”, zegt Miles Lindsey Clark, KM3NeT Technical Project Manager ten tijde van de detectie, en onderzoeksingenieur bij het CNRS - Astroparticle and Cosmology laboratorium, Frankrijk.
Dit neutrino met ultrahoge energie kan rechtstreeks afkomstig zijn van een krachtige kosmische versneller. Het zou ook de eerste detectie van een kosmogeen neutrino kunnen zijn. Op basis van dit ene neutrino is het echter moeilijk om conclusies te trekken over de oorsprong ervan. Toekomstige waarnemingen zullen zich richten op het detecteren van meer van dergelijke gebeurtenissen om een duidelijker beeld te krijgen. De voortdurende uitbreiding van KM3NeT met extra detectie-eenheden en het verzamelen van extra gegevens zal de gevoeligheid verbeteren en het vermogen om kosmische neutrino-bronnen te lokaliseren vergroten, waardoor het een toonaangevende bijdrage levert aan de multi-messenger astronomie.
De KM3NeT-samenwerking brengt meer dan 360 wetenschappers, ingenieurs, technici en studenten van 68 instellingen uit 21 landen over de hele wereld samen. KM3NeT is opgenomen in de routekaart van het Europese Strategieforum voor Onderzoeksinfrastructuren, dat KM3NeT erkent als een prioritaire onderzoeksinfrastructuur voor Europa. Naast de financiering door onderzoeksagentschappen in verschillende landen, heeft KM3NeT geprofiteerd van verschillende financieringen via de Europese onderzoeks- en innovatieprogramma's en het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling.
Bron: EurekAlert!
