Práce na registraci neutrin je obzvláště obtížná, protože se účinně vyhýbají detekci a existuje mnoho procesů, které zakrývají znalosti. Přesto se týmu odborníků přesně před dvěma lety podařil takový objev.
Dne 12. února 2025 oznámila mezinárodní spolupráce KM3NeT podrobnosti tohoto mimořádného objevu, které byly publikovány v jednom z nejprestižnějších vědeckých časopisů Nature. 

Neutrino – kosmický posel

Nejenergičtější neutrino, jaké kdy bylo pozorováno, je prvním důkazem, že neutrina s tak silnými energiemi jsou skutečně produkována ve vesmíru. Objevy jako tyto otevírají nové oblasti výzkumu v neutrinové astronomii a nabízejí naději na nový pohled na pozorování vesmíru. Experiment KM3NeT přispívá k prohloubení našich znalostí o časově i prostorově nejvzdálenějších astrofyzikálních jevech a kosmologických procesech.
Vysokoenergetický vesmír je souborem katastrofických událostí jako jsou aktivní galaktická jádra se supermasivními černými dírami, výbuchy hmotných hvězd, tzv. supernovy, gama záblesky, silné gravitační objekty, tzv černé díry, oblaka plynu a prachu, tedy mlhoviny. Tyto výkonné vesmírné urychlovače produkují proudy částic, známé jako kosmické paprsky. V důsledku interakcí částic kosmického záření s hmotou a fotony mohou vznikat neutrina a další fotony. Některé z nejúčinnějších kosmických paprsků mohou během své cesty vesmírem také interagovat s fotony záření kosmického mikrovlnného pozadí, což vede k produkci „kosmogenních“ neutrin s výjimečně obrovskými energiemi.
– Neutrina jsou jednou z nejzáhadnějších elementárních částic. Nemají žádný elektrický náboj, mají téměř nulovou hmotnost a jejich interakce s hmotou jsou extrémně vzácné. Díky těmto vlastnostem jsou výjimečnými kosmickými posly, poskytují nám jedinečné informace o mechanismech řídících kosmické jevy a umožňují nám prozkoumat nejvzdálenější kouty Vesmíru. Určení směru neutrina na Zemi ukazuje přesně na objekt, ze kterého bylo vysláno, i když je toto vesmírné těleso nepředstavitelně daleko, vysvětlují vědci zapojení do experimentu KM3NeT v tiskové zprávě.

Co je experiment KM3NeT?

Přestože neutrina jsou vedle fotonů ve vesmíru extrémně četná a každou sekundu se jich na Zemi dostane asi 100 miliard na centimetr čtvereční, jejich detekce je extrémně obtížná a vyžaduje speciálně vyvinuté obrovské detektory. Neutrinový teleskop KM3NeT je rozsáhlá hlubokomořská infrastruktura sestávající ze dvou detektorů: ARCA a ORCA.
Specifika experimentu KM3NeT vysvětluje fyzik z AGH Artur Ukleja:
– Výzkumná infrastruktura KM3NeT se v současnosti skládá ze dvou dalekohledů. Menší ORCA se věnuje studiu neutrin s nižší energií a nachází se poblíž Toulonu v hlubokých vodách Středozemního moře. Větší ARCA se nachází u pobřeží Sicílie ve vodách Středozemního moře a věnuje se především studiu neutrin kosmického původu a právě tato kosmická neutrina nám říkají, jaký je náš prostor.
Infrastruktura je instalována pod vodou takto:
– Máme v ní nainstalovanou kouli s 31 fotonásobiči, které všude kolem zaznamenávají slabé světlo Čerenkovova záření. Detekční koule takto nabitá fotonásobiči se nazývá digitální optický modul (DOM). Pokaždé je na dvou lanech namontováno 18 detekčních modulů. Jeden konec je ukotven k mořskému dnu a druhý drží svisle bójka plovoucí ve vodě. Tyto linky vybavené digitálními moduly se nazývají detekční řetězce. Nakonec bude každá kompletní část dalekohledu složena ze 115 řetězců detektorů. Detektor ARCA bude vybaven dvěma takovými částmi a detektor ORCA jednou. V tuto chvíli je každý dalekohled asi z 10 % připraven a připraven ke sběru dat. Tato část samotná umožnila detekci neutrina s výjimečně vysokou energií. S každou fází vývoje detektoru se šance na detekci tohoto typu vzácných neutrin zvyšuje – vysvětluje vědec z AGH.
Identifikace tohoto vysokoenergetického neutrina vyžadovala přesnou kalibraci dalekohledu a rekonstrukci slabého Čerenkovova světla k určení jeho směru a energie. Této pozoruhodné detekce bylo dosaženo pouze s použitím jedné desetiny konečné konfigurace detektoru, což dokazuje obrovský potenciál experimentu KM3NeT pro studium kosmických neutrin a neutrinovou astronomii.
Artur Ukleja z Fakulty fyziky a aplikované informatiky AGH, vedoucí týmu, který se k experimentu připojil v listopadu 2024, vysvětluje: – Neutrina se hledají v mnoha experimentech. Všechna měření jsou nepřímá. Studium neutrin a jejich vlastností je široce považováno za hledání nové fyziky, protože jejich nenulová hmotnost neodpovídá standardnímu modelu. Pokud zjistíme nesrovnalosti se standardním modelem, bude to nepřímá indikace existence dříve neznámých jevů, tzv. nová fyzika.
Vědec z AGH vysvětluje, že neutrina ze vzdálených galaxií dosahují na Zemi nerušeně. Jsou neutrální, nemají elektrický náboj a neinteragují s elektrickými a magnetickými poli. Proto, když jsou zaznamenány na Zemi, přesně označují směr a objekt, odkud pocházejí.

V AGH se vyvíjejí inovativní metody detekce neutrin

– Neutrina jsou studována pomocí zařízení umístěného hluboko pod povrchem Země – kde je velká tma – pro registraci slabého světla Čerenkovova záření – upřesňuje  A. Bleak – Studují se pod zemí, v ledovém příkrovu, ve starých dolech, např. v Japonsku. Abychom zachytili neutrina, musíme být co nejvíce izolováni od ostatních pozemských interakcí – proto jsou taková místa.
Kromě registrace neutrin prostřednictvím světelných signálů se tým fyziků z AGH ujal úkolu vyvinout inovativní metodu detekce neutrin – prostřednictvím jejich zvukových signálů. Profesor vysvětluje inovativní metodu detekce:
– Pokud neutrino letící téměř rychlostí světla interaguje s hmotou, např. vodou nebo ledem, vytvoří se další nabité částice, které pokračují v letu stejným směrem a pomalu ztrácejí energii. Tato energie ohřívá médium, ale pouze v jeho bezprostřední blízkosti. To způsobí, že médium začne pulsovat, tedy vydávat zvukový signál. Pokud se nám podaří tyto zvukové signály zaznamenat, můžeme je použít k rekonstrukci neutrina a určení jeho kinematických vlastností. Tým AGH vyvíjí simulace takových procesů, přičemž bere v úvahu možné efekty pozadí. Projíždějící lodě generují různé zvukové signály. Delfíni, kteří plavou kolem, také vydávají různé zvuky. Pomocí simulací, jako jsou tyto, můžeme začít vyvíjet způsob, jak oddělit slabé signály neutrin od pískání, cvakání a dalších zvuků. K tomuto účelu využíváme pokročilé techniky umělé inteligence. Tímto způsobem hledáme nejúčinnější metodu detekce neutrin jejich akustickými signály.

Hledání neutrin, abychom lépe porozuměli vesmíru

Agnieszka Obłękowska-Mucha z Fakulty fyziky a aplikované informatiky AGH zdůrazňuje význam objevu týmu vědců zapojených do experimentu KM3NeT a vysvětluje široké uplatnění provedeného výzkumu:
– Neutrina nám říkají, jaký je náš vesmír. Hledání neutrin by mohlo pomoci zlepšit například systémy varování před zemětřesením. Když byla objevena kvantová mechanika nebo mechanismy v pevné fázi, nikdo nečekal, že křemíková technologie bude základním materiálem pro elektroniku. Neutrina jsou velmi důležitou součástí teorie, musíme je studovat, abychom mohli lépe ověřit Standardní model. Zároveň nám to umožňuje velmi rozvinout detekci částic a samotné detektory, které můžeme prakticky využít i jinde. Například v oblasti monitorování jaderných reaktorů, výzkumu klimatu a životního prostředí, v medicíně pro zobrazování metabolických procesů probíhajících v těle a výzkum nemocí, národní bezpečnost detekcí radioaktivních materiálů nebo zajištění bezpečnosti na státních hranicích, letištích a dalších veřejných místech.
Navíc, jak upozornil Piotr Kalaczyński z Centra excelence pro umělou inteligenci AGH University of Science and Technology, pro analýzu takového množství signálů zaznamenaných v detektorech je nezbytná předběžná filtrace dat, včetně použití nejmodernějších nástrojů umělé inteligence.
– Přispíváme tak i k rozvoji této disciplíny a vzdělávání big data analytiků pracujících ve velkých IT společnostech – dodává  Piotr Kalaczynski.

zdroj: AGH