Neutrino met recordenergie gedetecteerd

Het KM3NeT-samenwerkingsverband kondigt de detectie aan van een kosmisch neutrino met een recordenergie van ongeveer 220 PeV, gemeten in de diepte van de Middellandse Zee.

Een buitengewoon signaal dat overeenkomt met een neutrino met een energie van zo’n 220 PeV (220 x 10¹⁵ elektronvolt of 220 miljoen miljard elektronvolt). Dat detecteerde de ARCA-detector van de ‘cubic kilometre neutrino telescope’ (KM3NeT) op 13 februari 2023 in de diepzee. Deze meting genaamd KM3-230213A is het meest energetische neutrino ooit geobserveerd.

Dit levert het eerste bewijs dat neutrino’s met zulke hoge energieën geproduceerd worden in het heelal. Na langdurig en nauwgezet analyse- en interpretatiewerk van de experimentele data, wordt vandaag een artikel gepubliceerd in Nature. Daarin rapporteert de internationale wetenschappelijke KM3NeT-samenwerking over de details van deze fantastische ontdekking.

Een enkel muon

Het gedetecteerde signaal blijkt te komen van een enkel muon dat de hele detector heeft doorkruist, en daarbij signalen opwekte in meer dan een derde van de actieve sensoren. De helling van de afgelegde baan, gecombineerd met de enorme energie, biedt overtuigend bewijs dat het muon afkomstig was van een kosmisch neutrino dat interactie had in de omgeving van de detector.

“KM3NeT is begonnen met het onderzoeken van een energie- en gevoeligheidsbereik waar gedetecteerde neutrino’s mogelijk voortkomen uit extreme astrofysische verschijnselen. Deze eerste detectie ooit van een neutrino van honderden PeV’s opent een nieuw hoofdstuk in de neutrino-astronomie en een nieuw observationeel 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.

Ultrahoge energie

Het hoogenergetische universum is het domein van extreme gebeurtenissen, zoals het ontstaan van superzware zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels, supernova-explosies en gammastraaluitbarstingen. Deze krachtige kosmische versnellers genereren deeltjes-stromen die kosmische straling worden genoemd en die door het heelal reizen. Sommige kosmische stralen gaan rond de bron een wisselwerking aan met materie of fotonen, waarbij ze neutrino’s en fotonen produceren. Tijdens de reis van de meest energetische kosmische stralen door het heelal, kan het voorkomen dat enkele ook wisselwerken met fotonen van de kosmische achtergrondstraling. In dit geval produceren ze extreem energetische kosmogene neutrino’s.

Voor het nu gemeten ultrahoge-energie neutrino zijn er meerdere mogelijkheden. Mogelijk is het neutrino direct afkomstig van een krachtige kosmische versneller. Maar het zou ook kunnen dat dit de eerste detectie is van een kosmogeen neutrino. Echter, op basis van dit enkele neutrino is het moeilijk om conclusies te trekken over de oorsprong. 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 neutrinobronnen te lokaliseren vergroten. Dit zal een toonaangevende bijdrage leveren aan de multi-messenger astronomie.

“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”, verklaart Rosa Coniglione, KM3NeT-vice-woordvoerder ten tijde van de detectie, en onderzoeker bij het INFN National Institute for Nuclear Physics, Italië.

Neutrino’s detecteren met KM3NeT

Op fotonen na, zijn neutrino’s de meest voorkomende deeltjes in het heelal. Toch 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 Cherenkov-licht. Dat is een blauwachtige gloed die wordt gegenereerd als ultra-relativistische deeltjes die worden geproduceerd in neutrino-interacties zich voortplanten door het water.

“De bepaling van de richting en de energie van dit neutrino, vereiste een nauwkeurige kalibratie van de telescoop en geavanceerde algoritmen voor spoorreconstructie. Daarnaast is deze opmerkelijke detectie bereikt met slechts een tiende van de uiteindelijke detectorconfiguratie. Dit toont het grote potentieel aan van ons experiment voor het bestuderen van neutrino’s en voor neutrinoastronomie”, zegt Aart Heijboer, KM3NeT Physics & Software Manager ten tijde van de detectie, Nikhef-onderzoeker en hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam.

De KM3NeT-samenwerking

De KM3NeT-samenwerking brengt meer dan 360 wetenschappers, ingenieurs, technici en studenten van 68 instellingen uit 21 landen over de hele wereld samen, waaronder uit Nederland Nikhef, NWO-I, Universiteit van Amsterdam, Universiteit Leiden, NIOZ en TNO.