Από τον πάγο της Ανταρκτικής μέχρι τον βυθό της Μεσογείου, η αναζήτηση των νετρίνων αστροφυσικής προέλευσης εξελίσσεται σε μια παγκόσμια προσπάθεια. Το φετινό Νόμπελ Φυσικής επιβραβεύει τον Φράνσις Χάλτσεν για την καθοριστική συμβολή του στο τηλεσκόπιο αναζητήσης κοσμικών νετρίνων IceCube στον πάγο της Ανταρκτικής. Όμως, το IceCube δεν είναι το μοναδικό «μάτι» που μελετά το Σύμπαν μέσα από τα νετρίνα. Ένα αντίστοιχο τηλεσκόπιο αναπτύσσεται στα βαθιά νερά της Μεσογείου: πρόκειται για το πείραμα KM3NeT, στο οποίο συμμετέχει το Εθνικό Κέντρο Φυσικών Επιστημών (ΕΚΕΦΕ) «Δημόκριτος».

Τον Φεβρουάριο του 2025 το πείραμα KM3NeT έγινε εξώφυλλο στο περιοδικό «Nature», καθώς εντόπισε το υψηλότερης ενέργειας κοσμικό νετρίνο (KM3-230213A) που έχει εντοπιστεί ποτέ: 30 φορές υψηλότερης από οποιοδήποτε άλλο νετρίνο έχει παρατηρηθεί. Παρείχε επίσης την πρώτη απόδειξη ότι νετρίνα τόσο υψηλών ενεργειών παράγονται στο Σύμπαν δίνοντάς μας πληροφορίες για τα 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.

«Καθώς μέχρι πρόσφατα η γνώση μας για το Σύμπαν προερχόταν κυρίως από 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 μια νέα δυνατότητα για την απάντηση θεμελιωδών ερωτημάτων σχετικά με την προέλευση και τη φύση των κοσμικών ακτίνων», περιγράφει η ίδια. 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».

Νετρίνα, οι αόρατοι αγγελιοφόροι

Μπορεί όταν σκεφτόμαστε το Σύμπαν να έρχονται στο μυαλό μας εικόνες από αστέρια, γαλαξίες και αχανείς περιοχές σκοταδιού, ωστόσο τα νετρίνα είναι αόρατοι αγγελιοφόροι που κρύβονται μέσα σε αυτήν την κοσμική απεραντοσύνη. Πρόκειται για μικροσκοπικά υποατομικά σωματίδια, με εξαιρετικά μικρή μάζα και χωρίς ηλεκτρικό φορτίο που μπορούν να ταξιδέψουν ανεμπόδιστα από τα πιο απομακρυσμένα σημεία του Σύμπαντος. Παρόλο που είναι το δεύτερο μεγαλύτερο σε αφθονία σωματίδιο στο Σύμπαν μετά τα φωτόνια (το φως), τα σωματίδια αυτά αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη με 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 μεγάλη ποσότητα νετρίνων χαμηλής ενέργειας που παράγονται σε διεργασίες πυρηνικής σύντηξης στον Ήλιο μας, ως και 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 και αυτό τους επιτρέπει να ενεργούν ως κοσμικοί αγγελιοφόροι, μεταφέροντας πληροφορίες απευθείας από την αστροφυσική τους πηγή στους ανιχνευτές στη Γη.

Από την Ανταρκτική στη Μεσόγειο

Η ανίχνευση κοσμικών νετρίνων, που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στον εντοπισμό και την ερμηνεία βίαιων αστροφυσικών φαινομένων στο Σύμπαν, απαιτεί πολύ μεγάλα παρατηρητήρια που βρίσκονται βαθιά κάτω από το νερό ή στον πάγο και τα οποία 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 και η συνεισφορά του υπήρξε καθοριστική για την κατασκευή ενός τέτοιου ανιχνευτή, του τηλεσκοπίου νετρίνων IceCube στην Ανταρκτική.

Η ανίχνευση 28 νετρίνων υψηλής ενέργειας προερχόμενων από το εξωτερικό του Ηλιακού Συστήματος το 2013 αποτελεί 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 (αναμένεται να ολοκληρωθεί το 2030) και 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 και έκανε την ανακάλυψη του υψηλότερης ενέργειας κοσμικού νετρίνου, θα καταλαμβάνει στην τελική του διάταξη όγκο ενός κυβικού χιλιομέτρου. Ενδεικτικό των δυνατοτήτων του είναι το γεγονός 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 68 ιδρυμάτων (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 και διαδραματίζει κομβικό ρόλο στην κατασκευή, τη λειτουργία, την ανάλυση δεδομένων και το management του πειράματος KM3NeT.