'Kosmische boodschapper': mysterieuze 'zeer hoogenergetische neutrino' gedetecteerd van buiten ons sterrenstelsel

Een sterrenstelsel ver, ver weg. Het CNRS spreekt van een "aardbeving" en een "nieuw venster op het heelal". Een neutrino (een deeltje dat veel voorkomt in het heelal, noot van de redactie) met een energie die dertig keer hoger is dan alle deeltjes die ooit op aarde zijn waargenomen, is ontdekt op de bodem van de Middellandse Zee . Dit blijkt uit een onderzoek dat woensdag 12 februari is gepubliceerd in het tijdschrift Nature .

Het is het meest energieke elementaire deeltje. En het zou moeten bijdragen aan een aanzienlijke vooruitgang in het begrijpen van de extreme verschijnselen in het heelal.

Deze ontdekking "schudt de huidige astrofysische modellen op", schrijft het CNRS in een persbericht.

Hoewel de oorsprong van dit ongelooflijke deeltje nog niet is geïdentificeerd, zijn wetenschappers er zeker van dat het niet uit ons sterrenstelsel komt.

Het neutrino is een elementair deeltje dat in het heelal veel voorkomt, maar moeilijk te vinden is. Zoals de naam al aangeeft, heeft het geen elektrische lading en vrijwel geen massa: massa is een miljoen keer zwakker dan die van een elektron. Het is tevens het lichtste bekende massieve deeltje. Bovendien interageert het slechts zwak met materie.

Neutrino's zijn van bijzonder belang voor wetenschappers omdat ze 'speciale kosmische boodschappers' zijn, legt Rosa Coniglione, onderzoeker bij het Italiaanse Instituut voor Kernfysica, uit in een persbericht bij de publicatie van het onderzoek.

De heftigste gebeurtenissen in het heelal, zoals een supernova-explosie, de fusie van twee neutronensterren of de activiteit rond superzware zwarte gaten, genereren zogenaamde 'ultrahoge energie'-neutrino's.

Omdat deze deeltjes nauwelijks interactie hebben met materie, kunnen ze ontsnappen aan de dichte, turbulente gebieden waaruit ze zijn ontstaan ​​en vervolgens in een rechte lijn door het heelal reizen. En zo waardevolle informatie verschaffen over de astrofysische verschijnselen die aan hun oorsprong liggen, die niet toegankelijk is voor meer klassieke methoden.

"Ter illustratie: als we de helft van de neutrino's die op ons afkomen willen tegenhouden, zouden we een loden muur van negen miljard kilometer dik moeten bouwen", legt Sonia El Hedri, astrofysicus bij het CNRS, uit in een video .

Deze ‘spookdeeltjes’ zijn echter bijzonder moeilijk te detecteren. Volgens het CNRS passeren er per seconde 60 miljard neutrino's elke vierkante centimeter van de aarde zonder ook maar een spoor achter te laten.

Om er een paar in de lucht te kunnen vangen, heb je een enorme hoeveelheid water nodig: minimaal een kubieke kilometer, het equivalent van 400.000 Olympische zwembaden. Daarom bevindt zich in het Middellandse Zeegebied de Cubic Kilometer Neutrino Telescope (KM3NeT).

Het project is nog in aanbouw en is verspreid over twee locaties: ARCA, gewijd aan hoge-energie-astronomie, op een diepte van 3.450 meter voor de kust van Sicilië (Italië), en ORCA, geoptimaliseerd voor het bestuderen van de fundamentele eigenschappen van neutrino's, op een diepte van 2.450 meter voor de kust van Toulon (Frankrijk).

Kabels van honderden meters lang, uitgerust met fotomultipliers die zeer kleine hoeveelheden licht kunnen versterken, zijn op regelmatige afstanden aan de zeebodem verankerd.

"Het interessante van water is dat wanneer het neutrino in het algemeen in materie interageert, het elektrisch geladen deeltjes produceert. En als deze deeltjes snel genoeg in een medium bewegen, kunnen ze de emissie van licht veroorzaken," legt Sonia El Hedri uit. Dit wordt het Tsjerenkoveffect genoemd.

"Water is vanwege zijn transparantie een medium dat zich bij uitstek leent voor het waarnemen van dit effect", vervolgt de astrofysicus.

Op 13 februari 2023 passeerde een muon, een zwaar elektron geproduceerd door een neutrino, "de gehele ARCA-detector en veroorzaakte signalen in meer dan een derde van de actieve sensoren", aldus KM3NeT, een samenwerkingsverband van 350 wetenschappers uit 21 landen.

Het neutrino had bij zijn oorsprong een energie van 220 peta-elektronvolt (PeV), of 200 miljoen miljard elektronvolt. Een kolossaal figuur, nog nooit eerder op aarde gezien.

"Dat is ongeveer de energie van een pingpongbal die van een meter hoogte valt", maar dan "in één elementair deeltje", legde Aart Heijboer, hoogleraar aan het Nederlands Instituut voor Subatomaire Fysica (Nikhef) en lid van KM3NeT, uit tijdens een persconferentie.

Behalve dat een pingpongbal uit biljoenen moleculen bestaat, terwijl dit een enkel elementair deeltje is dat evenveel energie met zich meedraagt.

Om zo'n deeltje te kunnen produceren, is een versneller nodig "die zich overal op aarde bevindt, op de afstand van geostationaire satellieten", aldus Paschal Coyle, onderzoeksdirecteur van het CNRS bij het Marseille Particle Physics Center.

"Een zwart gat in het hart van een sterrenstelsel? Een gammaflits? Een supernova?", de oorsprong ervan wordt woensdag door het CNRS in twijfel getrokken.

Bij een dergelijk energieniveau kan de oorsprong van het neutrino alleen kosmisch zijn. De afstand van de gebeurtenis die het veroorzaakte "is onbekend", maar "waar we vrijwel zeker van zijn, is dat het niet uit ons sterrenstelsel komt", benadrukte Damien Dornic, onderzoeker bij het CPPM.

Astrofysici hebben twaalf blazars geïdentificeerd, extreme stralingsbronnen die voortdurend deeltjes versnellen die worden aangestuurd door enorme, potentieel compatibele zwarte gaten.

Het zou ook de eerste detectie kunnen zijn van een 'kosmogene' neutrino, die het resultaat is van 'een interactie van ultra-energetische kosmische straling met fotonen uit de intergalactische kosmische achtergrond', legt Rosa Coniglione uit.

Dat zou kunnen helpen om ‘de samenstelling van deze kosmische straling’ en ‘de evolutie van het heelal’ te begrijpen.

"Toen deze gebeurtenis plaatsvond, was ons neutrinowaarschuwingssysteem nog in ontwikkeling", aldus Aart Heijboer. Tegen het einde van het jaar, wanneer er een nieuwe detectie wordt gedaan, wordt er binnen enkele seconden een waarschuwing verzonden naar "alle telescopen over de hele wereld, zodat ze in die richting" van de hemel kunnen kijken en naar de bron kunnen zoeken.