Από την Ανταρκτική στη Μεσόγειο: Το παγκόσμιο «κυνήγι» των κοσμικών νετρίνων και η ελληνική συμμετοχή

Από τον πάγο της Ανταρκτικής έως τον βυθό της Μεσογείου, η αναζήτηση νετρίνων αστροφυσικής προέλευσης εξελίσσεται σε μια παγκόσμια επιστημονική προσπάθεια. Το φετινό Νόμπελ Φυσικής επιβραβεύει τον Φράνσις Χάλτσεν για την καθοριστική συμβολή του στο IceCube, το τηλεσκόπιο που αναζητά κοσμικά νετρίνα στον πάγο της Ανταρκτικής.

Το IceCube, ωστόσο, δεν είναι το μοναδικό «μάτι» που μελετά το Σύμπαν μέσα από αυτά τα υποατομικά σωματίδια. Ένα αντίστοιχο τηλεσκόπιο αναπτύσσεται στα βαθιά νερά της Μεσογείου. Πρόκειται για το πείραμα KM3NeT, στο οποίο συμμετέχει το Εθνικό Κέντρο Έρευνας Φυσικών Επιστημών «Δημόκριτος».

Τον Φεβρουάριο του 2025, το KM3NeT έγινε εξώφυλλο στο περιοδικό «Nature», καθώς εντόπισε το υψηλότερης ενέργειας κοσμικό νετρίνο που έχει καταγραφεί ποτέ, το KM3-230213A. Η ενέργειά του ήταν 30 φορές μεγαλύτερη από εκείνη οποιουδήποτε άλλου νετρίνου είχε παρατηρηθεί μέχρι τότε.

Η ανακάλυψη αποτέλεσε επίσης την πρώτη απόδειξη ότι νετρίνα τόσο υψηλών ενεργειών παράγονται στο Σύμπιαν, προσφέροντας πολύτιμες πληροφορίες για βίαια γεγονότα που συμβαίνουν έξω από τον Γαλαξία μας.

«Η αστρονομία νετρίνων μόλις τώρα ξεκινάει», επισημαίνει στο ΑΠΕ-ΜΠΕ η Αικατερίνη Τζαμαριουδάκη, διευθύντρια Ερευνών του Ινστιτούτου Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», η οποία συμμετέχει στο πείραμα KM3NeT.

Νετρίνα, οι αόρατοι αγγελιοφόροι

Μέχρι πρόσφατα, η γνώση μας για το Σύμπαν προερχόταν κυρίως από δύο είδη «αγγελιοφόρων»: τα φωτόνια και τα φορτισμένα σωματίδια, δηλαδή τις κοσμικές ακτίνες.

«Η μελέτη των νετρίνων, τα οποία δεν εκτρέπονται από τα διαστρικά μαγνητικά πεδία και δεν απορροφώνται, ανοίγει μια νέα δυνατότητα για την απάντηση θεμελιωδών ερωτημάτων σχετικά με την προέλευση και τη φύση των κοσμικών ακτίνων», εξηγεί η κ. Τζαμαριουδάκη.

Όπως προσθέτει, «ο συνδυασμός πληροφοριών που προέρχονται από διαφορετικούς αγγελιοφόρους είναι ένα νέο, ισχυρό εργαλείο για την κατανόηση των διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα στα αστροφυσικά φαινόμενα του Σύμπαντος».

Τα νετρίνα είναι μικροσκοπικά υποατομικά σωματίδια, με εξαιρετικά μικρή μάζα και χωρίς ηλεκτρικό φορτίο. Μπορούν να ταξιδεύουν ανεμπόδιστα από τα πιο απομακρυσμένα σημεία του Σύμπαντος.

Παρότι αποτελούν το δεύτερο σε αφθονία σωματίδιο στο Σύμπαν μετά τα φωτόνια, αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη. Έτσι, κάθε δευτερόλεπτο δισεκατομμύρια νετρίνα περνούν μέσα από το ανθρώπινο σώμα χωρίς να αφήνουν ίχνη.

Παράγονται σε ένα τεράστιο εύρος ενεργειών και μέσα από διαφορετικές διεργασίες: από τα νετρίνα χαμηλής ενέργειας που δημιουργούνται κατά την πυρηνική σύντηξη στον Ήλιο έως τα υψηλής ενέργειας νετρίνα που προέρχονται από συγκρούσεις σωματιδίων σε κατακλυσμικά κοσμικά γεγονότα, όπως οι εκρήξεις άστρων ή η δραστηριότητα μαύρων τρυπών.

Επειδή η διαδρομή τους παραμένει αδιατάρακτη, λειτουργούν ως κοσμικοί αγγελιοφόροι, μεταφέροντας πληροφορίες απευθείας από την αστροφυσική πηγή τους στους ανιχνευτές στη Γη.

Από το IceCube της Ανταρκτικής στο KM3NeT της Μεσογείου

Η ανίχνευση κοσμικών νετρίνων απαιτεί πολύ μεγάλα παρατηρητήρια, εγκατεστημένα βαθιά κάτω από το νερό ή μέσα στον πάγο. Οι ανιχνευτές αναζητούν αμυδρές λάμψεις φωτός, οι οποίες μαρτυρούν την παρουσία των νετρίνων.

Ο Φράνσις Χάλτσεν πρότεινε τη χρήση του πάγου ως μέσου ανίχνευσης αστροφυσικών νετρίνων υψηλής ενέργειας και συνέβαλε καθοριστικά στην κατασκευή του τηλεσκοπίου IceCube στην Ανταρκτική.

Το 2013, η ανίχνευση 28 νετρίνων υψηλής ενέργειας που προέρχονταν από το εξωτερικό του Ηλιακού Συστήματος αποτέλεσε την πρώτη τεκμηριωμένη απόδειξη νετρίνων αστροφυσικής προέλευσης. Έκτοτε, το IceCube έχει αναφέρει την πρώτη ισχυρή ένδειξη εκπομπής νετρίνων από δύο γαλαξίες, καθώς και από τον δικό μας Γαλαξία.

Η αντίστοιχη ευρωπαϊκή υποδομή είναι το KM3NeT, το οποίο αναπτύσσεται στα βάθη της Μεσογείου και αναμένεται να ολοκληρωθεί το 2030.

Το τηλεσκόπιο περιλαμβάνει δύο ανιχνευτές:

• Τον ARCA, στα βαθιά νερά ανοιχτά της Σικελίας.
• Τον ORCA, κοντά στις ακτές της Τουλόν στη Γαλλία.

Ο ARCA στοχεύει στην ανίχνευση νετρίνων υψηλής ενέργειας από γαλαξιακές και εξωγαλαξιακές πηγές. Πρόκειται για τον ανιχνευτή που κατέγραψε το υψηλότερης ενέργειας κοσμικό νετρίνο.

Στην τελική του διάταξη θα καταλαμβάνει όγκο ενός κυβικού χιλιομέτρου. Ενδεικτικό των δυνατοτήτων του είναι ότι η συγκεκριμένη ανακάλυψη έγινε ενώ λειτουργούσε μόλις το ένα δέκατο της τελικής του διάταξης.

«Εξαιτίας της εξαιρετικής του ακρίβειας στον προσδιορισμό της κατεύθυνσης των νετρίνων, το τηλεσκόπιο KM3NeT/ARCA θα συνεισφέρει ουσιαστικά όχι μόνο στην ανίχνευση νετρίνων υψηλής ενέργειας, αλλά θα ενισχύσει σημαντικά και την ικανότητα εντοπισμού των αστροφυσικών πηγών από τις οποίες προέρχονται και, συνεπώς, την κατανόηση των βίαιων φαινομένων στο Σύμπαν», σημειώνει η κ. Τζαμαριουδάκη.

Από το πείραμα Nestor της Πύλου στη διεθνή κοινοπραξία

Το KM3NeT αποτελεί συνέχεια τριών πιλοτικών πειραμάτων ανίχνευσης νετρίνων. Ένα από αυτά ήταν το πείραμα Nestor, που διεξήχθη στην Πύλο, ενώ τα άλλα δύο πραγματοποιήθηκαν στη νότια Γαλλία και τη Σικελία.

Η διεθνής επιστημονική κοινοπραξία KM3NeT συγκεντρώνει περισσότερους από 360 επιστήμονες, από 68 ιδρύματα και 22 χώρες. Μεταξύ των συμμετεχόντων βρίσκεται και το ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος».

Το Εθνικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής INFN της Ιταλίας, το οποίο έχει αναλάβει τη συγκέντρωση των δεδομένων από τον ARCA, χαρακτήρισε την απονομή του Νόμπελ Φυσικής στον Φράνσις Χάλτσεν «σημαντική αναγνώριση για ολόκληρη την κοινότητα της φυσικής νετρίνων και της φυσικής αστροσωματιδίων».

Η ομάδα του Ινστιτούτου Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» αποτελείται από τον διευθυντή του Ινστιτούτου Χρήστο Μάρκου, την Αικατερίνη Τζαμαριουδάκη, την ερευνήτρια Ευαγγελία Δρακοπούλου, τεχνικό προσωπικό και φοιτητές.

Η ελληνική ομάδα διαδραματίζει κομβικό ρόλο στην κατασκευή και τη λειτουργία του KM3NeT, καθώς και στην ανάλυση των δεδομένων και τη διαχείριση του πειράματος.