KM3NeT

Schéma konštrukčného bloku observatória KM3NeT

KM3NeT (skratka z angl. Cubic Kilometre Neutrino Telescope) je európske hlbokomorské neutrínové observatórium, výskumná infraštruktúra umiestnená na dne Stredozemného mora, ktorej princíp spočíva v registrácii Čerenkovovho žiarenia vznikajúceho pri šírení elektricky nabitých častíc médiom tohto detektora – morskou vodou. Cieľom výskumu je získanie unikátnych poznatkov o astrofyzikálnych objektoch vo vzdialenom vesmíre, ako aj o základných vlastnostiach a interakciách neutrín.

Trojrozmerná sieť tisícov optických senzorov deteguje slabé Čerenkovovo žiarenie vo forme svetla emitovaného nabitými časticami pochádzajúcimi z interakcií neutrín s morskou vodou alebo s horninami v blízkosti detektora. Pozícia, orientácia optických modulov a čas detekcie svetla na fotonásobičoch vo vnútri optických modulov sú zaznamenávané s vysokou presnosťou. Tieto merania umožňujú určiť základné charakteristiky pozorovaných udalostí, napr. trajektórie a energie registrovaných častíc.

ORCA

ARCA

KM3NeT-Gr

Umiestnenie detektorov v rámci Stredozemného mora

Projekt KM3NeT realizuje a plánuje výstavbu viacerých detektorov v hĺbkach Stredozemného mora v blízkosti európskych pobreží: ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), detektor označovaný tiež KM3NeT-Fr, sa nachádza v oblasti pobrežia mesta Toulon vo Francúzsku; ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss) detektor, majúci aj označenie KM3NeT-It, je umiestnený pri Portopalo di Capo Passero, najjužnejšej obci ostrova Sicília v Taliansku. Oba detektory sú aktuálne v prevádzke, zaznamenávajú dáta o udalostiach nesúcich dôležitú informáciu, a súčasne sú vo výstavbe. V ďalšej fáze sa plánuje rozšírenie výskumnej infraštruktúry KM3NeT o ďalší detektor, s označením KM3NeT-Gr, s lokalizáciou pri pobreží mestečka Pylos na Peloponéze v Grécku.

Neutrínový teleskop KM3NeT nadväzuje na a je zdokonalením menšieho úspešného neutrínového teleskopu ANTARES, ktorý bol v prevádzke pri pobreží Francúzska v rokoch 2008 až 2022 a následne bol demontovaný.

Dohľad, riadenie a manažment výstavby a prevádzky neutrínového teleskopu KM3NeT je realizovaný v medzinárodnej kolaborácii pozostávajúcej z viac ako 68 inštitúcií z 21 krajín po celom svete. Kolaboráciu tvorí približne 360 vedcov, inžinierov a technikov. Na projekte participujú aj slovenskí vedci z Katedry jadrovej fyziky a biofyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave.

Vedecké ciele

Hlavné ciele kolaborácie KM3NeT sú:

1. Objav a následný výskum vysokoenergetických zdrojov neutrín vo vesmíre. Predmetom vedeckého záujmu sú aktívne galaktické jadrá galaxií, výbuchy a pozostatky supernov, zdroje zábleskov gama žiarenia, zrážky čiernych dier a hviezd. Cieľom KM3NeT je prostredníctvom identifikácie neutrín z týchto zdrojov priniesť informácie o pôvode vysokoenergetického kozmického žiarenia a o najextrémnejších procesoch vo vesmíre.
2. Štúdium základných vlastností neutrín; predpokladá sa určenie hierarchie hmotností neutrín prostredníctvom pozorovania oscilácií atmosferických neutrín. Pomôže to stanoviť podstatu neutrín (diracovská alebo majoranovská) ako aj získať dôležité informácie o novej fyzike za Štandardným modelom fyziky častíc.

Okrem uvedených hlavných vedeckých cieľov zohráva tento teleskop významnú úlohu v hľadaní tmavej hmoty vo vesmíre. Súčasťou tejto výskumnej infraštruktúry sú aj detekčné systémy, ktoré umožňujú výskum v iných vedeckých odvetviach, ako sú biológia mora, oceánografia a geofyzika, na základe dlhodobého monitorovania v reálnom čase morského prostredia a morského dna v hĺbke niekoľkých kilometrov.

Po dokončení, detektor ARCA, ktorý je určený na hľadanie zdrojov vysokoenergetických neutrín vo vesmíre, bude mať aktívny objem na úrovni kubického kilometra. Detektor ORCA, ktorého objem je podstatne menší, je prispôsobený na meranie základných vlastností neutrín detekciou hlavne atmosferických neutrín, t.j. rieši aktuálne otázky časticovej fyziky.

Dizajn

Digitálny optický modul (DOM) experimentu KM3NeT v laboratóriu

Jednotlivé infraštruktúry vo Francúzsku a Taliansku sú navrhnuté tak, aby pozostávali z takmer 200 000 svetelných senzorov (fotonásobičov) distribuovaných v takzvaných konštrukčných blokoch: dva bloky pre KM3NeT/ARCA a jeden pre KM3NeT/ORCA. Jeden konštrukčný blok pozostáva zo 115 flexibilných vertikálnych lán – alebo detekčných jednotiek – ukotvených na dne mora. Každá detekčná jednotka nesie 18 tlaku-odolných sférických svetlocitlivých modulov a každý digitálny optický modul obsahuje 31 fotonásobičov. Takže každý konštrukčný blok obsahuje trojrozmerné pole foto-senzorov, ktoré môžu byť použité na detekciu Čerenkovovho žiarenia, produkovaného relativistickými časticami vznikajúcimi v neutrínových interakciách.

Detektor ARCA, ktorý sa nachádza v talianskej časti KM3NeT, je umiestnený v hĺbke 3 450 m. Tento detektor je optimalizovaný na detekciu kozmických neutrín s veľmi vysokými energiami v rozsahu TeV až PeV (eV – elektrónvolt) tým, že má riedke rozdelenie optických modulov: 18 modulov je približne rovnomerne rozmiestnených na detekčných jednotkách dlhých 700 metrov, pričom vertikálny rozostup medzi nimi je 36 metrov.

Detektor ORCA, ktorý sa nachádza vo francúzskej časti KM3NeT, je umiestnený v hĺbke 2 475 m. Hustejšie rozmiestnenie optických modulov robí detektor ORCA vhodnejším na registráciu neutrín v oblasti energií niekoľkých GeV. ORCA bude pozostávať zo 115 detekčných jednotiek zoskupených v trojuholníkovej mriežke so stranou 20 m a vertikálnou vzdialenosťou 9 m medzi optickými modulmi na detekčnej jednotke. Celkovo má takéto pole senzorov priemer 210 m a jednotlivé detekčné jednotky sú 200 m dlhé.

Pozície modulov ako aj čas detekcie registrovaného svetla pomocou fotonásobičov, ktoré sú v ich vnútri, sú určené s vysokou presnosťou. Každý optický modul má v priemere 44 centimetrov (17 “), obsahuje 31 3-palcových fotonásobičov spolu s napájacou elektronikou a je pripojený k pobrežiu pomocou vysokorýchlostnej dátovej optickej siete. Elektro-optické káble a spojovacie stanice na dne mora slúžia ako spojenie optických modulov s kontrolnou stanicou na pobreží, ktorá slúži pre dodávanie elektrickej energie, kontrolu detektora a prenos dát.

Keďže detekčné jednotky sa spolu s optickými modulmi odkláňajú vplyvom morských prúdov, ich pozície ako aj orientácia fotonásobičov v nich sú nepretržite monitorované pomocou akustického a kompasového systému. V každom optickom module sú umiestnené LED diódy slúžiace na časovú kalibráciu.

V každej kontrolnej stanici, ako vo francúzskej, tak aj v talianskej časti, počítačové farmy pracujú na prvotnom spracovaní dát skôr, než sú odoslané do centrály KM3NeT pre uchovanie dát, kde dochádza k neskoršej analýze nameraných dát vedcami projektu KM3NeT.

Konštrukcia a budovanie rôznych častí detektora sú ilustrované vo viacerých videách.

História konštrukcie

Dizajn neutrínového teleskopu KM3NeT je dostatočne modulárny a výstavba prebieha v jednotlivých fázach. V roku 2012 sa začala konštrukcia KM3NeT výskumného zariadenia na dne mora v talianskej a francúzskej časti experimentu. Prototyp KM3NeT optického modulu úspešne zbieral údaje v rokoch 2013 – 2014 ako súčasť neutrínového teleskopu ANTARES. Prvý prototyp detekčnej jednotky meral dáta približne jeden rok v rokoch 2014 – 2015 v talianskej časti teleskopu KM3NeT.

Druhá fáza konštrukcie KM3NeT pozostáva z dokončenia detektorov ARCA a ORCA v talianskej a francúzskej časti. V období rokov 2017 až 2024 sa v detektore ORCA vybudovalo 24 detekčných jednotiek a v detektore ARCA bolo nainštalovaných 33 detekčných jednotiek. Takže ku koncu roku 2024 prakticky viac ako 10 % z celkového detektora bolo už vo funkčnom stave zberu dát.

Vedecké výsledky

S čiastočne vybudovanými detektormi, kolaborácia KM3NeT už prezentovala a publikovala niektoré veľmi zaujímavé výsledky v recenzovaných vedeckých časopisoch, medzi ktoré patria:

S použitím iba 6 detekčných jednotiek detektora ORCA boli pozorované oscilácie atmosférických neutrín a následne určené parametre unitárnej PMNS matice zmiešavania neutrín: $\sin ^{2}(\theta _{23})=0.51_{-0.05}^{+0.04}$ a$\Delta m_{31}^{2}=2.18_{-0.35}^{+0.25}\times 10^{-3}~\mathrm {eV} ^{2}~\cup \{-2.25,-1.76\}\times 10^{-3}~\mathrm {eV} ^{2}$ na úrovni spoľahlivosti 68 %.

Zaznamenané dáta detektorom KM3NeT boli analyzované za účelom nájsť neutrínové udalosti, ktoré súvisia s registráciou gravitačných vĺn zaznamenanými interferometrami LIGO a Virgo v období rokov 2019 – 2020. Nebola pozorovaná významná nadprodukcia neutrínových udalostí v prípade zdrojov uvedených v katalógoch gravitačných vĺn. Pre každý z nich boli stanovené horné ohraničenia na prúdy neutrín a na celkovú energiu emitovanú v neutrínach, a to v príslušných energetických rozsahoch. Ďalej, boli vykonané tzv. stacking analýzy splývania dvojice čiernych dier a pohltenia neutrónových hviezd čiernymi dierami, za účelom určenia neutrínových emisií súvisiacich s týmito kategóriami vesmírnych udalostí.

Predmetom záujmu bolo pozorovanie mimoriadne jasného gama záblesku GRB 221009A zo dňa 9. októbra 2022. Štúdiom registrovaných udalostí detektorom ARCA s 21 detekčnými jednotkami a detektorom ORCA s 10 detekčnými jednotkami v uvedenom období neboli vyjavené žiadne neutrínové udalosti v koincidencii s polohou gama záblesku. Následne, boli stanovené horné ohraničenia na súvisiacu emisiu neutrín.

Množstvo ďalších štúdií bolo realizovaných a publikovaných týkajúcich sa neviditeľného rozpadu ťažkých neutrálnych fermiónov, možnej existencie sterilných neutrín, neštandardných neutrínových interakcií, hľadania tmavej hmoty vesmíru, kvantovej dekoherencie v procese oscilácií neutrín, produkcie atmosférických miónov, difúzneho prúdu neutrín vo vesmíre, bodových astrofyzikálnych zdrojov neutrín, hviezdotvorných galaxií, výbuchu supernov II. typu a kombinovaných analýz s neutrínovými experimentami JUNO, CTA a IceCube, atď.

Naviac, na základe Monte Carlo simulácií boli určené perspektívy budúcich štúdií, ktoré budú realizované pomocou neutrínového teleskopu KM3NeT v konfigurácii dokončených detektorov ORCA aj ARCA.

Úplný zoznam vedeckých a technických publikácií KM3NeT je dostupný na INSPIRE-HEP. KM3NeT sa zaväzuje k prezentovaniu dát a publikovaniu výsledkov v rámci Open Access („otvorený prístup“) iniciatív.

Vzťah s európskymi inštitúciami

V roku 2006 experiment KM3NeT bol zaradený do cestovnej mapy Európskeho strategického fóra pre výskumné infraštruktúry (ESFRI). Znamenalo to uznanie výskumnej infraštruktúry KM3NeT ako jednej z priorít európskeho vedeckého výskumu na obdobie nasledujúcich 10 – 20 rokov. Neskôr Rada Európskej únie rozhodla o finančnej podpore budovania neutrínového teleskopu KM3NeT pre obdobie 2019 – 2026. Umožnilo to spustenie projektu KM3NeT-INFRADEV2 (2023 – 2025) zameraného na úplnú realizáciu výskumnej infraštruktúry KM3NeT.

KM3NeT získal finančnú podporu z rôznych európskych programov pre výskum a inovácie, vrátane Horizon 2020 a Horizon Europe. Ďalej, výstavba inštalačných stredísk experimentu KM3NeT bola podporená aj z Európskeho fondu regionálneho rozvoja (ERDF), čo potvrdzuje ekonomický, sociálny a územný význam projektu KM3NeT na regionálnej úrovni.

KM3NeT sa taktiež zapojil do viacerých európskych projektov vedených partnermi kolaborácie. Napríklad je súčasťou siete EMSO, vďaka čomu poskytuje dlhodobý prístup k výskumu v oblasti Zeme a morí. KM3NeT sa podieľal na projekte ASTERICS, a stále sa zapája do európskej iniciatívy pre otvorenú vedu (EOSC), ako aj do súvisiaceho projektu ESCAPE. V neposlednom rade sa KM3NeT angažuje aj v občianskej vede, najmä prostredníctvom projektu REINFORCE.

Global Neutrino Network

Spolu s experimentom ANTARES, Baikal-GVD, IceCube, P-ONE a RNO-G, KM3NeT je súčasťou siete Global Neutrino Network.

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému KM3NeT

Externé odkazy

• Oficiálny web
• Detektor neutrin bude ukryt pod vodou – článok na serveri Astro.cz (2011)
• Fotony a neutrina kosmického záření extrémně vysokých energií – článok Vladimíra Wagnera z Ústavu jadrovej fyziky AV ČR na serveri OSEL.cz (2024)
• Co nám říká detekce neutrina s extrémní energií o našem Vesmíru? – článok Vladimíra Wagnera z Ústavu jadrovej fyziky AV ČR na serveri OSEL.cz (2025)

Zdroj

Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku KM3NeT na anglickej Wikipédii.