Neutrinii – mesagerii cosmici care ne ”taie” corpul și Terra, căutați în Antarctica și sub Mediterană

Sunt călători ai universului și acum trec prin corpurile noastre. „Zi și noapte, în fiecare secundă, miliarde de neutrini trec prin noi”, spune fizicianul Juan de Dios Zornoza, profesor la Universitatea din Valencia.

Neutrinii sunt una dintre cele mai enigmatice particule din fizică. De asemenea, sunt extrem de dificil de detectat. Acești vizitatori sunt atât de ”volatili” încât pentru a-i captura, oamenii de știință au fost nevoiți să instaleze instrumente la o mie de metri sub suprafața Antarcticii sau în adâncurile Mării Mediterane.

Alți cercetători au ales, însă, să suspende antenele dintr-un balon care zboară peste continentul înghețat. Dar tot efortul este justificat: detectarea acestor particule deschide uși către lumi care altfel nu ar putea fi studiate.

„La fel cum un astronom merge pe munte cu telescopul său și observă stelele, vrem să știm cum funcționează universul. Dar în loc să folosim lumină folosim un alt mesager cosmic, care este neutrinul”, a spus Zornoza, coordonatorul grupului spaniol ANTARES, inițiativa care caută neutrini în Marea Mediterană.

Neutrinii pot proveni din alte galaxii, dar și din stele mai apropiate, precum Soarele nostru.

„Neutrinii ne oferă informații despre locuri imposibil de accesat”, a declarat pentru BBC fizicianul nevrino-peruan Carlos Alberto Argüelles, cercetător la MIT (Massachusetts Institute of Technology) și membru al IceCube, proiectul care caută neutrini slabi sub gheața antarctică.

„În centrul Soarelui, există fuziuni nucleare care emit neutrini. Alte particule sunt prinse în acel spațiu imens, dar putem măsura neutrinii și avem informații despre ceea ce se întâmplă în centrul Soarelui.”

Ce se știe despre aceste particule enigmatice? Și la ce întrebări vrea să răspundă știința, studiindu-le?

Au tăiat materia

Neutrinii sunt particule elementare, unul dintre elementele fundamentale ale naturii. „Sunt a doua cea mai abundentă particulă din univers”, a explicat Zornoza. „Ceea ce este cel mai mult în univers sunt fotonii, adică particulele de lumină, apoi neutrinii”.

Antenele ANITA au captat semnale a căror origine este un mister

Proiectul ANITA, finanțat parțial de NASA, caută neutrini cu mare energie în Antarctica.

Aceste particule cu greu interacționează cu ceea ce găsesc în calea lor, astfel încât pot trece cu ușurință prin materie.

„Ei interacționează doar prin una dintre cele patru forțe despre care știm (gravitația, forța electromagnetică, forța nucleară puternică și forța nucleară slabă). Neutrinii interacționează doar cu forța nucleară slabă”, spune Argüelles.

Potrivit lui Zornoza, „neutrinii sunt capabili să treacă de o barieră de ani-lumină de plumb și să părăsească cealaltă parte, ceea ce îi face foarte greu de detectat”.

Alte caracteristici ale neutrinilor nu sunt încă înțelese.

„Neutrinii sunt ciudați, știm că au o masă, dar nu știm deocamdată cât este ea sau de unde provine. Trebuie să fie conectați la o altă particulă care trebuie să le ofere o masă care este secretă, ceva trebuie să producă acea masă”, mai spune profesorul Argüelles.

„De asemenea, au un fenomen cunoscut sub numele de oscilația neutrinilor, pentru că există mai multe tipuri de neutrini și se pot transforma unul în altul”.

Ei călătoresc în linie dreaptă

Carlos Alberto Argüelles

Neutrinii nu au nicio sarcină electrică și sunt, prin urmare, un instrument ideal pentru studierea universului.

„Întrucât este o particulă neutră, este optimă pentru astronomie, deoarece nu este deviată de câmpurile magnetice”, a explicat Juan Antonio Aguilar, un cercetător spaniol la Universitatea Liberă din Bruxelles și șeful grupului local IceCube.

„Acest lucru înseamnă că, dacă există o sursă în univers care emite neutrini, acești neutrini vor veni direct de acolo către noi.”

Călătorind în linie dreaptă și interacționând doar slab cu materia, neutrinii dezvăluie care direcție este sursa lor, spre deosebire de alți mesageri din cosmos, precum razele cosmice sau razele gamma.

„Razele cosmice, formate în mare parte din protoni, călătoresc din surse foarte departe de noi, dar din moment ce au o sarcină electrică, dacă există câmpuri magnetice, le vor muta direcția”, potrivit lui Argüelles.

Razele gamma, pe de altă parte, sunt ușoare. Și lumina poate fi blocată sau întunecată de nori de praf sau gaz.

„Atunci avem neutrinii, care chiar dacă există câmpuri magnetice, îşi urmează calea și chiar dacă există nori sau praf, îi traversează. Din acest motiv, sunt mesageri direcți ai obiectelor din care provin și ne oferă informații cu adevărat unice”, a adăugat Argüelles.

Neutrinii pot proveni din locuri în care lumina nu poate scăpa.

Potrivit Aguilar, „fiind particule aproape fantomă care trec prin toate, ne pot aduce informații din locuri foarte energice și foarte dense, precum locurile din jurul găurilor negre”.

La Polul Sud și în Mediterana

Telescop pentru căutarea neutrinilor scufundat în Mediterană

Pentru a surprinde neutrinii, oamenii de știință folosesc diferite tactici. Telescopul Neutrino IceCube, de la Polul Sud, este o inițiativă internațională care implică aproape 300 de oameni de știință din instituții din 12 țări din Europa, America de Nord, Asia și Oceania.

Cercetătorii analizează datele primite prin satelit de la senzorii instalați într-un km cub de gheață sub suprafața Antarcticii. Iar munca lor nu s-a oprit în timpul pandemiei actuale.

În cazul ANTARES, o altă inițiativă internațională, cu precădere europeană, detectoarele sunt la 2.500 de metri adâncime în Marea Mediterană, în apropierea coastei Marsilia.

ANTARES li se va alătura cu un nou telescop neutrin subacvatic, numit KM3NeT aflat în prezent în construcție, care va fi instalat la adâncimi și mai mari în Mediterana.

Cum le detectează?

Deși neutrinii se comportă ca particule-fantomă, oamenii de știință reușesc să le găsească.

„Dintre toți neutrinii care vin la noi, din când în când, unul interacționează și produce o altă particulă, numită muon, care este un fel de electron, dar cu mai multă masă”, a spus Zornoza.

„Așa că muonul, dacă ne aflăm într-un mediu transparent, precum apa sau gheața, emite ceea ce se numește lumină Cherenkov, o lumină albastră pe care o putem vedea”.

„Deci, în Mediterana sau în Antarctica punem detectoare de lumină. Mulți neutrini trec, dar unii produc un muon, care emite lumină.”

Senzorii ANTARES și IceCube trebuie să fie, de asemenea, la adâncimi mari.

Acest lucru împiedică semnalele de neutrini să fie confundate cu altele care nu pătrund atât de mult la adâncimi mari.

Balonul care zboară peste Antarctica

Originea evenimentelor surprinse de antenele radio ANITA din Antarctica rămâne o enigmă.
Proiectul ANITA (Antarctic Transitive Boost Antenna), finanțat în parte de NASA, folosește o altă strategie pentru detectarea neutrinilor.

ANITA folosește zeci de antene atașate la un balon stratosferic.

„Este un tip de experiment care caută neutrini cu energii mai mari decât ANTARES sau IceCube și asta înseamnă că, chiar și cu un km cub de gheață nu ar fi suficient, din cauza acelei energii super-mari”, a spus Zornoza.

Detectoarele ANITA nu caută licăriri. La energii atât de mari, neutrinii care interacționează cu gheața produc un alt tip de semnal, un semnal radio, pe care antenele încearcă să-l ridice către sursa de captare.

Două fenomene surprinse de ANITA în ultimii ani continuă să genereze o dezbatere intensă între oamenii de știință.

Descoperirile ciudate ale ANITA

Juan Antonio Aguilar

În 2016 și 2018, ANITA a captat energii foarte mari, care în loc să vină din spațiu spre suprafața Pământului păreau să vină din Pământ în sus și au traversat o bună parte a planetei noastre.

Dar acest lucru este foarte ciudat, deoarece la astfel de energii ridicate neutrinii nu trec de cei cu consum redus de energie. La energii mari, neutrinii încep să interacționeze cu mediul și le este tot mai dificil să treacă prin materie.

„Lucrul surprinzător despre aceste evenimente este că particulele văzute erau foarte energice, aveau energii enorme și erau prea verticale, traversau diametral Pământul”, afirmă profesorul Aguilar.

Marea întrebare este ce ar putea explica acea ciudată ”cascadă” de particule în sus.

Posibile explicații

Detectoarele ANTARES sunt la 2.500 de metri adâncime în Marea Mediterană, în apropierea coastei franceze din Marsilia.
Oamenii de știință au postulat numeroase explicații posibile pentru așa-numitele evenimente ale ANITA.

Una dintre ipoteze, de exemplu, este că ANITA ar fi putut fi înșelată de razele cosmice, potrivit lui Aguilar.

„Când ajung în atmosferă, razele cosmice interacționează și generează o cascadă de particule secundare care generează și o emisie radio din câmpul magnetic al Pământului. Ele ar fi descendente, dar uneori, când ajung la suprafață, poate exista o reflecție și se întorc la etaj și ANITA a putut vedea acel semnal de reflecție „, a spus el.

Care este a 5-a dimensiune și unde este ascunsă

Unii cercetători propun „pornirea de la zero” studiind reflectarea razelor cosmice pe gheață.

Ar fi putut exista o sursă astrofizică din univers? Oamenii de știință de la IceCube asigură că, în acest caz, împreună cu neutrinii cu energie mare, ar fi sosit și alții cu consum redus de energie, precum cei detectați de acest proiect.

Și într-o lucrare lansată în acest an, cercetătorii IceCube au susținut că nu au găsit urme de neutrini cu energie redusă în același timp.

Există și alte ipoteze, dar pentru moment întrebarea despre originea evenimentelor ANITA rămâne fără răspuns.

Un mister centenar

Juan de Dios Zornoza

Modulele optice ANTARES detectează licăriri atunci când un neutrin produce un muon care emite lumină.
Neutrinii ar putea ajuta la rezolvarea unor puzzle-uri mari precum materia întunecată, din care universul este alcătuit în proporție de 80%, dar nu se știe ce este.

„Materia întunecată este probabil să se acumuleze în locuri precum centrul galaxiei noastre sau Soarele. Acolo s-ar anihila și ar emite, printre altele, neutrini”, afirmă Juan de Dios Zornoza.

„Detectarea neutrinilor din acele surse ne-ar oferi indicii pentru a înțelege din ce materie întunecată este făcută această particulă extraordinară și miraculoasă, care nu coincide cu nicio lege a fizicii și care a fost detectată în Colectorul Mare”.

Și există un alt mare mister pe care neutrinii l-ar putea clarifica: originea razelor cosmice.

„Cu mai bine de 100 de ani în urmă, au fost descoperite aceste raze cosmice care ajung pe Pământ, dar încă nu am înțeles de unde provin”, a mai spus profesorul Zornoza.

„Nu avem clar unde apar, dar dacă suntem capabili să detectăm acei neutrini, ei ne pot ajuta să rezolvăm misterul vechi de secole a ceea ce provoacă razele cosmice”.