Vahemerre sukeldus ülienergiline neutriino

Vahemeres asuv detektor KM3NeT tuvastas 13. veebruaril 2023 tugeva valgussähvatuse, mis pärines enneolematult suure energiaga neutriino tabamuselt. Selle energia oli umbes 30 korda kõrgem kui ühelgi varem vaadeldud neutriinol ja üle 10 000 korra kõrgem prootonite põrkeenergiast LHC kiirendis.

Kust küll nii kõrge energiaga osakesed pärinevad? Loomulikult kosmilisest kiirgusest: osakestest, mis tulevad kosmoseavarustest ja pommitavad pidevalt meie maakera. Õnneks suudab Maa magnetväli ja atmosfäär meid selle kiirguse eest väga tõhusalt kaitsta. Võrreldes kiirgusfooniga Maast kaugemal kui Kuu (selgelt väljaspool Maa magnetvälja kaitsvat mõju), on kiirgusfoon merepinna tasemel ligi 10 000 korda madalam.

Kosmiline kiirgus avastati üsna kiiresti pärast seda, kui prantsuse füüsik Henri Becquerel oli avastanud maise radioaktiivsuse. Juba 1909. aastal pandi tähele, et kõrgete rajatiste otsas ja mägedes on kiirgusfoon kõrgem kui maapinnal. Aga seda üritati seletada radooni ja teiste radioaktiivsete isotoopide levikuga õhus. 1912. aastal mõõtis Saksa füüsik Victor Hess kiirgusfooni eri kõrgustel merepinnast, kasutades õhupalli ja hiljuti leiutatud Wulfi elektromeetrit, mille abil sai kiirgustaset väga täpselt mõõta. See sai murdepunktiks, sest mõõtmine näitas väga selgelt, et kõrguse suurenedes kiirgusfoon kasvab. Loomulikult anti Hessile selle avastuse eest Nobeli füüsikaauhind.

Siiski polnud teada, milline on selle kosmilise kiirguse olemus: missugustest osakestest ta koosneb ja kust pärineb. 1950. aastateks sai selgeks, et kiirgus koosneb põhiliselt prootonitest ja heeliumi tuumadest. Näpuotsaga (umbes 1% koguenergiast) on seal ka elektrone, footoneid ja neutriinosid.

Enne seda olid kosmilised kiired aidanud 1936. aastal avastada ühe uue osakese, müüoni. Carl D. Anderson ja Seth Neddermeyer tegid Kaljumägede kõrgeimale tipule Pikes Peakile (4300 m) taritud pilvekambris tekkinud kosmiliste kiirte jälgi uurides kindlaks, et eksisteerib mingi väga läbistav osake, mille laeng on võrdne elektroni ja prootoni omaga, aga mass peaaegu 200 korda raskem kui elektronil (või 10 korda kergem kui prootonil). Anderson pärjati selle avastuse eest üsna kiiresti Nobeli auhinnaga.

Kosmilised kiired ise arvatakse olevat põhiliselt tekkinud ülienergiliste täheplahvatuste ehk supernoovade plasma ning magnetväljade kiirendava mõju tõttu. Piisab ühest-kahest supernoovaplahvatusest sajandis meie Linnutee galaktikas, et täita see väga energeetiliste laetud osakestega. Kuid sellised plasmalained ei aita seletada hiljuti leitud ülienergilise neutriino teket: tema mõõtmed ja tugevus on lihtsalt liiga väike. Kust selline neutriino võib pärineda, sellest teeme juttu natuke allpool.

Miks üldse füüsikuid huvitavad kosmilised kiired? Esiteks, kosmiline kiirgus (nagu valgus ja muu kiirgus) annab meile võimaluse vaadelda meie Galaktikat. Need kiired annavad infot tähetekkeprotsesside, täheplahvatuste, tähtedevaheliste magneväljade ja veel paljude astrofüüsikaliste nähtuste kohta.

Teiseks, kuna kosmiliste kiirte energia on väga suur, loodavad osakestefüüsikud või nagu moodne on öelda, astroosakestefüüsikud, leida märke veel tundmatutest osakestest, mis võiksid nende mõjul tekkida. Tumeainegi võib panustada kosmilisse kiirgusse, näiteks kui tumeaineosake laguneb, või kaks tumeaineosakest kokku põrkavad ja annihileeruvad meile tuntud osakesteks, mis saavad kaasa suure energia. Ühtlasi võivad väga energeetilised kosmilised kiired viidata veel tundmatutele astrofüüsikalistele nähtustele, mis neid tekitavad.

Nii on füüsikud välja mõelnud rohkesti eksperimente, millega kosmilist kiirgust mõõta kosmoses (gammakiirguse ja laetud osakeste detektorid), atmosfääris, vees ja jääs (nn Tšerenkovi kiirguse teleskoobid ja detektorsüsteemid, aga ka raadiokiirguse ja sekundaarse kiirguse – müüonite – mõõtmise süsteemid jne). Suure energiaga neutriinode mõõtmiseks on samuti omad teleskoobid.

Ülikerge neutraalse osakese neutriino mõtles 1930. aastal välja teoreetik Wolfgang Pauli, et seletada beetalagunemisel kaduma minevat energiat. Pauli tundis süümepiinu, et oli leiutanud nii nõrgalt vastastikmõjustuva osakese, et seda pole kuidagi võimalik avastada. Pliipõll, mis kaitseb arsti röntgenikiirguse eest, on alla millimeetri paks, aga neutriino võiks minna läbi tervest valgusaastast pliist, ilma et ühegi osakesega kokku põrkaks. Igas sekundis läbib inimese keha 100 triljonit neutriinot, mis enamasti pärinevad Päikeselt.

Neutriinod avastati siiski 1956. aastal, kui tuumareaktoris tekkivate neutriinode suur arv oli korvanud vastastikmõju nõrkuse. Nüüdisaegsed neutriinodetektorid on väga suured, et näha võimalikult palju neutriinosid. Eelmine kord (Horisont 2025, nr 1) mainisime „neutriinoudu“, mida hakkavad nägema teadlaste jõupingutuste tõttu ülitundlikuks muutunud tumeainedetektorid.

Osakestefüüsika standardmudelis kutsutaksegi neutriinode vastastikmõju „nõrgaks“. Kuid tegelikult on nõrk vastastikmõju nõrk ainult siis, kui osakeste kokkupõrke energia on madal. Nõrka vastastikmõju vahendavad näiteks tuumareaktsioonide energiaga võrreldes palju suurema massiga osakesed W- ja Z-bosonid. Kui põrke energia ei jää alla vahebosoni massile, siis on vastastikmõju palju tugevam. Kõrgematel energiatel ei erine see tugevuselt eriti elektromagnetilise vastastikmõju omast.

Kuna neutriinodel pole elektrilaengut, ei ole neid detektoris näha otse. Neutriino kokkupõrkel aatomituumaga võib tekkida müüon, elektroni raskem sõsar. Ülikõrge energiaga müüon liigub merevees valgusest kiiremini, tema järel tekib valguskoonus. See Tšerenkovi-Vavilovi kiirgus on helikiirust ületava lennuki järel tekkiva lööklaine analoog valguse aspektist. Tekkinud valgus tuvastatakse fotokordistitega, mis kinnipüütud nõrka valgussignaali võimendavad. Üks säärane observatoorium, lõunapoolusel kuupkilomeetri puhta liustikujää sisse sulatatud IceCube’i teleskoop, on juba olemas.

Optiliste moodulite jada, mis lastakse Vahemerre osana KM3NeT neutriinoteleskoobist. Foto: THE KM3NET COLLABORATION

Sitsiilia lähedal Vahemerre lastav neutriinoteleskoop KM3NeT töötab samal põhimõttel. Valmis teleskoop koosneb kuupkilomeetri ruumalasse lastud 230 vertikaalsest trossist, millele igaühele on pärlitena kinnitatud 18 optilist moodulit. Igas moodulis on 31 valgusvõimendit-fotokordistit. Praegu on merre lastud ainult 21 anduritega trossi.

Kuigi KM3NeT on alles pooleli, on selle kõrge energiaga neutriinod juba andnud väga huvitava tulemuse. 2023. aasta 13. veebruaril mõõdeti neutriino, mille energia oli umbes 220 petaelektronvolti (PeV) ehk 1015 elektronvolti, see on umbes 10 000 korda suurem kui LHC kiirendis tiirleva prootoni energia! Enamiku mõõdetavate neutriinode energia on palju väiksem ja mida suurema energiaga nad on, seda vähem neid leidub.

Valgussähvatuse järgi määratud neutriino liikumise suunast on näha, et neutriino ei tulnud mitte meie Linnutee tuumast, vaid kusagilt mujalt, arvatavasti mõnest teisest galaktikast. See võis tulla mõne galaktika tuumas oleva üliraske musta augu ümbrusest või supernoovaplahvatusest, kus laetud osakesi kiirendatakse enneolematute energiateni. Laetud osakese põrkel kosmilise gaasiga võiski tekkida ülikõrge energiaga neutriino. Veel üks võimalus on üliraske tumeaine osakeste lagunemine või annihilatsioon, mille kallal töötavad ka KBFI teadlased.

Neutriinoteleskoobi KM3NeT valgust püüdvad moodulid on kinnitatud merepõhja ankurdatud trossi külge, mida hoiavad vertikaalsena ujukid. Foto: PHOTOTEQUE IN2P3 / CNRS

Kuna mõõdetud on ainult üks neutriino energiaga mitusada PeV, on selle allikas veel teadmata. On kummaline, et suurem IceCube’i detektor ei ole selliseid neutriinosid näinud. Võib-olla tekib neid universumis nii vähe, et KM3NeT-il lihtsalt vedas? Ootame uusi mõõtmisi!

Andi Hektor (1975) on ettevõtte GScan OÜ kaasasutaja ja strateegiajuht ning keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur, kelle tegevuse põhisuund on müüontomograafia rakendused.

Kristjan Kannike (1978) on keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur, kelle teadustöö põhisuunad on osakestefüüsika, kosmoloogia ja varajase universumi füüsika.

Artikkel ilmus ajakirja Horisont aprilli-mai numbris.