Νόμπελ Φυσικής 2025: Νετρίνα και το τηλεσκόπιο IceCube

Η πρόσφατη απονομή του Νόμπελ Φυσικής στον Φράνσις Χάλτσεν για τη συμβολή του στην ανάπτυξη του τηλεσκοπίου νετρίνων IceCube στην Ανταρκτική έχει φέρει στο προσκήνιο μια ραγδαία αναπτυσσόμενη επιστημονική περιοχή: την αστρονομία νετρίνων. Πρόκειται για ένα πεδίο που υπόσχεται να αποκαλύψει τα πιο βίαια και αινιγματικά φαινόμενα του Σύμπαντος, χρησιμοποιώντας ως «αγγελιοφόρους» τα νετρίνα, τα πιο άφθονα σωματίδια μετά τα φωτόνια. Ενώ το IceCube κυριαρχεί στα παγωμένα τοπία του Νότου, ένα εξίσου φιλόδοξο εγχείρημα εξελίσσεται στα βάθη της Μεσογείου Θάλασσας: το πείραμα KM3NeT, στο οποίο συμμετέχει ενεργά το Εθνικό Κέντρο Φυσικών Επιστημών (ΕΚΕΦΕ) «Δημόκριτος».

Τον Φεβρουάριο του 2025, το πείραμα KM3NeT κατάφερε ένα επιστημονικό επίτευγμα παγκόσμιας εμβέλειας, το οποίο φιλοξενήθηκε στο εξώφυλλο του περιοδικού «Nature». Οι ερευνητές εντόπισαν το κοσμικό νετρίνο με την υψηλότερη ενέργεια που έχει καταγραφεί ποτέ, γνωστό ως KM3-230213A. Η ενέργεια αυτού του σωματιδίου είναι 30 φορές μεγαλύτερη από οποιαδήποτε άλλη έχει παρατηρηθεί, προσφέροντας την πρώτη ισχυρή απόδειξη ότι νετρίνα τόσο ακραίων ενεργειών παράγονται στο Σύμπαν. Αυτή η ανακάλυψη ρίχνει φως στα βίαια γεγονότα που λαμβάνουν χώρα πέρα από τα όρια του Γαλαξία μας, εγκαινιάζοντας μια νέα εποχή στην παρατηρησιακή αστροφυσική.

«Η αστρονομία νετρίνων μόλις τώρα ξεκινάει», δηλώνει στο ΑΠΕ-ΜΠΕ η Αικατερίνη Τζαμαριουδάκη, διευθύντρια ερευνών του Ινστιτούτου Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» και μέλος της επιστημονικής ομάδας του KM3NeT. Όπως εξηγεί, μέχρι πρόσφατα η γνώση μας για το Σύμπαν βασιζόταν κυρίως σε δύο είδη «αγγελιοφόρων»: τα φωτόνια και τα φορτισμένα σωματίδια (κοσμικές ακτίνες). Η μελέτη των νετρίνων, τα οποία δεν εκτρέπονται από τα διαστρικά μαγνητικά πεδία και δεν απορροφώνται, ανοίγει νέους ορίζοντες για την απάντηση θεμελιωδών ερωτημάτων σχετικά με την προέλευση και τη φύση των κοσμικών ακτίνων. «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», προσθέτει.

Νετρίνα: Οι αόρατοι αγγελιοφόροι του Σύμπαντος

Παρά το γεγονός ότι το Σύμπαν μας είναι γεμάτο με αστέρια, γαλαξίες και αχανείς περιοχές σκοταδιού, τα νετρίνα αποτελούν τους αόρατους αγγελιοφόρους που κρύβονται μέσα σε αυτή την κοσμική απεραντοσύνη. Πρόκειται για μικροσκοπικά υποατομικά σωματίδια, με εξαιρετικά μικρή μάζα και χωρίς ηλεκτρικό φορτίο, τα οποία μπορούν να ταξιδέψουν ανεμπόδιστα από τα πιο απομακρυσμένα σημεία του Σύμπαντος. Αν και είναι το δεύτερο πιο άφθονο σωματίδιο στο Σύμπαν μετά τα φωτόνια, αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα κάθε δευτερόλεπτο δισεκατομμύρια από αυτά να περνούν από μέσα μας χωρίς να αφήνουν ίχνη.

Τα νετρίνα παράγονται σε ένα τεράστιο εύρος ενεργειών και σε πολλές διαφορετικές διεργασίες. Από τη μεγάλη ποσότητα νετρίνων χαμηλής ενέργειας που παράγονται σε διεργασίες πυρηνικής σύντηξης στον Ήλιο μας, μέχρι τη μικρή ποσότητα νετρίνων υψηλής ενέργειας που προέρχονται από συγκρούσεις σωματιδίων σε κατακλυσμικά κοσμικά γεγονότα, όπως η έκρηξη άστρων ή η δραστηριότητα μαύρης τρύπας. Η διαδρομή τους παραμένει αδιατάρακτη, επιτρέποντάς τους να ενεργούν ως κοσμικοί αγγελιοφόροι, μεταφέροντας πληροφορίες απευθείας από την αστροφυσική τους πηγή στους ανιχνευτές στη Γη.

Από την Ανταρκτική στη Μεσόγειο: Η παγκόσμια προσπάθεια

Η ανίχνευση κοσμικών νετρίνων, που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στον εντοπισμό και την ερμηνεία βίαιων αστροφυσικών φαινομένων, απαιτεί πολύ μεγάλα παρατηρητήρια. Αυτά βρίσκονται βαθιά κάτω από το νερό ή στον πάγο και αναζητούν αμυδρές λάμψεις φωτός ως μάρτυρες της παρουσίας τους. Ο βραβευμένος με Νόμπελ Φράνσις Χάλτσεν πρότεινε τη χρήση του πάγου ως μέσο ανίχνευσης για αστροφυσικά νετρίνα υψηλής ενέργειας, συμβάλλοντας καθοριστικά στην κατασκευή του τηλεσκοπίου IceCube στην Ανταρκτική. Το 2013, η ανίχνευση 28 νετρίνων υψηλής ενέργειας προερχόμενων 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 υποδομή ανίχνευσης κοσμικών νετρίνων σε ευρωπαϊκό έδαφος, αυτή τη φορά στα βάθη της θάλασσας, είναι το τηλεσκόπιο νετρίνων KM3NeT. Η κατασκευή του είναι ακόμα σε εξέλιξη και αναμένεται να ολοκληρωθεί το 2030. Περιλαμβάνει δύο ανιχνευτές: τον ARCA, που έχει τοποθετηθεί στα βαθιά νερά της Σικελίας, και τον ORCA κοντά στην ακτή της Τουλόν στη Γαλλία. Ο ARCA, που στοχεύει στην ανίχνευση νετρίνων υψηλών ενεργειών από γαλαξιακές και εξωγαλαξιακές πηγές, έκανε την ανακάλυψη του υψηλότερης ενέργειας κοσμικού νετρίνου. Στην τελική του διάταξη, θα καταλαμβάνει όγκο ενός κυβικού χιλιομέτρου. Είναι ενδεικτικό των δυνατοτήτων του ότι η ανακάλυψη του νετρίνου έγινε με μόλις το ένα δέκατο της τελικής του διάταξης.

Η κ. Τζαμαριουδάκη εξηγεί στο ΑΠΕ-ΜΠΕ ότι «εξαιτίας της εξαιρετικής του ακρίβειας στον προσδιορισμό της κατεύθυνσης των νετρίνων, το τηλεσκόπιο νετρίνων KM3NeT/ARCA θα συνεισφέρει ουσιαστικά όχι μόνο στην ανίχνευση νετρίνων υψηλής ενέργειας, αλλά επίσης θα ενισχύσει σημαντικά την ικανότητα εντοπισμού των αστροφυσικών πηγών από τις οποίες προέρχονται και συνεπώς την κατανόηση των βίαιων φαινομένων στο Σύμπαν». Το συγκεκριμένο πείραμα αποτελεί συνέχεια τριών πιλοτικών πειραμάτων για την ανίχνευση νετρίνων που ολοκληρώθηκαν, ένα εκ των οποίων ήταν το πείραμα Nestor που διεξήχθη στην Πύλο, ενώ τα άλλα δύο έγιναν στη νότια Γαλλία και τη Σικελία.

Η διεθνής επιστημονική κοινοπραξία KM3NeT συγκεντρώνει περισσότερους από 360 επιστήμονες από 68 ιδρύματα (μεταξύ αυτών και του «Δημόκριτου») από 22 χώρες σε όλο τον κόσμο. Το Εθνικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής INFN στην Ιταλία, εταίρος του προγράμματος που έχει αναλάβει να συγκεντρώνει όλα τα δεδομένα από τον ARCA, εξέδωσε ανακοίνωση για την απονομή του Νόμπελ Φυσικής στον Φράνσις Χάλτσεν, σημειώνοντας ότι το φετινό βραβείο Νόμπελ «αποτελεί σημαντική αναγνώριση για ολόκληρη την κοινότητα της φυσικής νετρίνων και της φυσικής αστροσωματιδίων».

Σημειώνεται ότι η ομάδα του Ινστιτούτου Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» που συμμετέχει στην έρευνα αποτελείται από τον διευθυντή του Ινστιτούτου, Χρήστο Μάρκου, την Αικατερίνη Τζαμαριουδάκη, την ερευνήτρια Ευαγγελία Δρακοπούλου, τεχνικό προσωπικό και φοιτητές. Η ομάδα διαδραματίζει κομβικό ρόλο στην κατασκευή, τη λειτουργία, την ανάλυση δεδομένων και το management του πειράματος KM3NeT.