How big is Neutrino wysokiej energii?

Neutrino wysokiej energii to neutrino, które niesie bardzo dużo energii, jak te docierające na Ziemię z głębi kosmosu. Neutrina są cząstkami elementarnymi bez ładunku elektrycznego i prawie bez masy. Żaden eksperyment nie zmierzył rozmiaru neutrina, więc podana wartość nie jest wynikiem pomiaru.

Rozmiar

Wiersz rozmiaru podaje 15 zeptometrów, czyli 1,5 × 10⁻²⁰ metra. Zeptometr to 10⁻²¹ metra, czyli tysięczna część miliardowej części miliardowej części metra. Zapis 10⁻²¹ oznacza 1 podzielone przez jedynkę z 21 zerami. Eksplorator nie podaje, jaką energię ma jego neutrino wysokiej energii, a żaden eksperyment nie zmierzył rozmiaru neutrin o jakiejkolwiek energii.

W przypadku kwarków eksperymenty ustaliły przynajmniej górną granicę rozmiaru. W przypadku neutrin fizycy nie uzgodnili nawet, jak należy definiować rozmiar. Particle Data Group, która zbiera wyniki pomiarów cząstek z całego świata, podaje ograniczenia dla wielkości zwanej promieniem ładunkowym neutrina. Zaznacza też, że znaczenie tej wielkości wciąż jest przedmiotem sporu.

Dobrze wiadomo natomiast, jak rzadko neutrina z czymkolwiek oddziałują. Neutrino odczuwa tylko dwa z czterech oddziaływań podstawowych: oddziaływanie słabe i grawitację. Nie ma ładunku elektrycznego, więc siły elektryczne i magnetyczne go nie przyciągają ani nie odpychają. Neutrino nie odczuwa też oddziaływania silnego, które wiąże kwarki.

Porównania rozmiarów

Poza grawitacją neutrino może wpływać na inną cząstkę tylko przez oddziaływanie słabe, którego zasięg wynosi około 10⁻¹⁸ metra. To mniej niż tysięczna część szerokości protonu, który ma około 1,7 femtometra (1,7 × 10⁻¹⁵ metra) średnicy.
Większość neutrin przechodzi na wylot przez całą Ziemię, mającą 12 742 kilometrów średnicy, nie zatrzymując się.
Prawdopodobieństwo trafienia rośnie wraz z energią. Neutrino o energii 40 TeV (40 bilionów elektronowoltów, a elektronowolt to maleńka jednostka energii) przebywa średnio mniej więcej szerokość Ziemi, zanim zatrzyma je Ziemia.
Aby wychwycić nieliczne neutrina, które jednak oddziałują, detektor IceCube na Biegunie Południowym obserwuje kilometr sześcienny lodu, w którym na głębokościach od 1450 do 2450 metrów pod powierzchnią zawieszono 5160 czujników światła.

Neutrina z kosmosu

Od maja 2010 do maja 2012 roku IceCube zarejestrował 28 zdarzeń o wysokiej energii, znacznie więcej niż około 11 spodziewanych po cząstkach powstających w atmosferze Ziemi. Dwa najbardziej energetyczne niosły po około 1 PeV, czyli 1000 TeV. W 2013 roku zespół IceCube doniósł o nich jako o przesłankach istnienia neutrin wysokiej energii z kosmosu.

13 lutego 2023 roku detektor ARCA teleskopu KM3NeT, położony na głębokości 3450 metrów w Morzu Śródziemnym u wybrzeży Sycylii, zarejestrował neutrino, którego energię oszacowano na około 220 PeV. W 2026 roku jest to najbardziej energetyczne neutrino, jakie kiedykolwiek zaobserwowano. Ta jedna cząstka niosła mniej więcej tyle energii, ile piłka tenisowa upuszczona z wysokości 6 centymetrów.

Naukowcy sądzą, że takie neutrina pochodzą z najbardziej gwałtownych miejsc we Wszechświecie, takich jak otoczenie supermasywnych czarnych dziur i wybuchających gwiazd. Tam cząstki zwane promieniami kosmicznymi są przyspieszane do ogromnych energii i mogą wytwarzać neutrina.

Jak wychwytuje się neutrina

Neutrina są drugimi pod względem liczebności cząstkami we Wszechświecie, po fotonach, czyli cząstkach światła. Oddziałują jednak tak rzadko, że, jak ujęto w podręczniku OpenStax Astronomy, „Ziemia jest dla neutrina bardziej przezroczysta niż najcieńsza i najczystsza szyba dla fotonu światła”. Aby je wychwycić, potrzebne są ogromne detektory.

IceCube i KM3NeT obserwują ogromne objętości lodu lub wody morskiej. Gdy neutrino w coś uderzy, powstają naładowane elektrycznie cząstki, które emitują niebieskawą poświatę zwaną światłem Czerenkowa. Czujniki rejestrują tę poświatę, a fizycy na jej podstawie ustalają kierunek i energię neutrina.