KM3NeT

Το τηλεσκόπιο νετρίνων κυβικού χιλιομέτρου KM3NeT (Cubic Kilometer Neutrino Telescope) αποτελεί μια ευρωπαϊκή ερευνητική υποδομή που βρίσκεται στο βυθό της Μεσογείου. Φιλοξενεί υποθαλάσσια τηλεσκόπια νετρίνων Cherenkov που έχουν σχεδιαστεί για να ανιχνεύουν και να μελετούν νετρίνα από μακρινές αστροφυσικές πηγές καθώς και από την ατμόσφαιρα, συμβάλλοντας σημαντικά στη γνώση τόσο της αστροφυσικής όσο και της σωματιδιακής φυσικής. ^[1]

Συστοιχίες χιλιάδων μονάδων οπτικών αισθητήρων στο βάθος της θάλασσας ανιχνεύουν το αχνό φως Cherenkov που προέρχεται από τα φορτισμένα σωματίδια που εξέρχονται μετά από συγκρούσεις των νετρίνων με τα μόρια του νερού ή του βράχου στην περιοχή του ανιχνευτή. Η θέση και η κατεύθυνση των οπτικών μονάδων και ο χρόνος άφιξης του φωτός στο εσωτερικό των φωτοπολλαπλασιαστών καταγράφονται με μεγάλη ακρίβεια. Οι ιδιότητες των σωματιδίων, όπως η τροχιά και η ενέργειά τους ανακατασκευάζονται από αυτές τις μετρήσεις.

Το έργο KM3NeT προβλέπει την κατασκευή τέτοιων ανιχνευτών στα βάθη της Μεσογείου κατά μήκος των νότιων ακτών της Ευρώπης: Στο KM3NeT-Fr (υπεράκτια της Toulon, Γαλλία) βρίσκεται ο ανιχνευτής ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), στο KM3NeT-It (υπεράκτια του Portopalo di Capo Passero στη Σικελία, Ιταλία) βρίσκεται ο ανιχνευτής ARCA (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss). Και οι δύο ανιχνευτές συλλέγουν δεδομένα. Το KM3NeT-Gr (υπεράκτια της Πύλου στη Πελοπόννησο, Ελλάδα) αποτελεί σημείο για την επέκταση της ερευνητικής υποδομής KM3NeT στην επόμενη φάση του πειράματος.

Το έργο KM3NeT συνεχίζει την ερευνητική εργασία του τηλεσκοπίου νετρίνων ANTARES που λειτούργησε στις ακτές της Γαλλίας μεταξύ 2008 και 2022.

Η επίβλεψη, η διακυβέρνηση και η διαχείριση της υλοποίησης και λειτουργίας του KM3NeT διεξάγεται από μια διεθνή συνεργασία με περισσότερα από 68 ιδρύματα από 21 χώρες σε όλο τον κόσμο. Η κοινότητα KM3NeT αποτελείται από περίπου 360 επιστήμονες, μαζί με μηχανικούς και τεχνικούς. ^[2]

Επιστημονικοί Στόχοι

Οι κύριοι στόχοι ^[3] της κοινοπραξίας KM3NeT είναι:

1. Η ανακάλυψη και η επακόλουθη παρατήρηση πηγών νετρίνων υψηλής ενέργειας στο σύμπαν, διερευνώντας μια μεγάλη ποικιλία κοσμικών αντικειμένων όπως τα υπολείμματα υπερκαινοφανών (supernova remnants), τις εκρήξεις ακτίνων γάμμα (Gamma Ray Bursts), τις σούπερνόβα (supernovae) ή τα συγκρουόμενα αστέρια (colliding stars). Με τον εντοπισμό των νετρίνων από αυτές τις πηγές, το KM3NeT στοχεύει να παρέχει πληροφορίες για την προέλευση των κοσμικών ακτίνων και τους μηχανισμούς που οδηγούν μερικά από τα πιο ακραία γεγονότα στο Σύμπαν.
2. Οι εν τω βάθει έρευνες των θεμελιωδών ιδιοτήτων των νετρίνων με σκοπό τον προσδιορισμό της ταξινόμησης μάζας νετρίνων μετρώντας τις ταλαντώσεις των ατμοσφαιρικών νετρίνων. Η ικανότητα διάκρισης μεταξύ διαφορετικών καταστάσεων μάζας νετρίνων θα παρέχει κρίσιμες πληροφορίες για τη φύση των νετρίνων και τον ρόλο τους στο τυπικό μοντέλο της φυσικής σωματιδίων.

Εκτός από αυτούς τους πρωταρχικούς επιστημονικούς στόχους, το τηλεσκόπιο είναι ένα ισχυρό εργαλείο για την αναζήτηση της σκοτεινής ύλης στο Σύμπαν. Επιπλέον, η ερευνητική υποδομή φιλοξενεί όργανα για άλλες επιστήμες όπως θαλάσσια βιολογία, ωκεανογραφία και γεωφυσική για μακροπρόθεσμη και σε πραγματικό χρόνο παρακολούθηση του περιβάλλοντος βαθέων υδάτων και του βυθού της θάλασσας.

Ο ανιχνευτής ARCA είναι το τηλεσκόπιο μεγέθους κυβικών χιλιομέτρων που αναζητά πηγές νετρίνων στον Σύμπαν. Ο ανιχνευτής ORCA έχει βελτιστοποιηθεί για τις μετρήσεις των ιδιοτήτων του νετρίνου, και έτσι διερευνά ερωτήματα που σχετίζονται με τη σωματιδιακή φυσική.

Σχεδιασμός

Το Ψηφιακό Οπτικό Στοιχείο KM3NeT (DOM) στο εργαστήριο

Οι υποδομές στη Γαλλία και την Ιταλία έχουν σχεδιαστεί ώστε να αποτελούνται από σχεδόν 200.000 αισθητήρες φωτός (Φωτοπολλαπλασιαστές, ή PMT) κατανεμημένους σε τρία δομικά στοιχεία: δύο για τον ανιχνευτή KM3NeT/ARCA και ένα για τον KM3NeT/ORCA. Ένα δομικό στοιχείο περιλαμβάνει 115 εύκαμπτες κάθετες ανιχνευτικές διατάξεις - ή μονάδες ανίχνευσης (DUs) - αγκυρωμένες στον βυθό της θάλασσας. Κάθε διάταξη υποστηρίζει 18 σφαιρικά οπτικά στοιχεία, ανθεκτικά στην πίεση και κάθε οπτικό στοιχείο περιλαμβάνει 31 φωτοπολλαπλασιαστές. Κάθε δομικό στοιχείο αποτελεί επομένως μια τρισδιάστατη διάταξη από αισθητήρες φωτός που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση του φωτός Cherenkov που παράγεται από σωματίδια που εξέρχονται από τις αλληλεπιδράσεις νετρίνων με το μέσο (νερό). ^[4]

Η τοποθεσία KM3NeT-It φιλοξενεί τον ανιχνευτή ARCA που βρίσκεται σε βάθος 3450 m και είναι βελτιστοποιημένος για την ανίχνευση κοσμικών νετρίνων υψηλής ενέργειας στην περιοχή TeV–PeV λόγω της ευρείας απόστασης μεταξύ των οπτικών μονάδων: οι 18 ψηφιακές οπτικές μονάδες έχουν περίπου ίση απόσταση 36 m στις ανιχνευτικές διατάξεις μήκους περίπου 700 m οι οποίες απέχουν περίπου 90 m μεταξύ τους.

Η τοποθεσία KM3NeT-Fr φιλοξενεί τον ανιχνευτή ORCA που βρίσκεται σε βάθος 2475 m. Οι οπτικές μονάδες βρίσκονται σε πιο κοντινή απόσταση μεταξύ τους κάνουν τον ανιχνευτή ORCA βελτιστοποιημένο για την ανίχνευση νετρίνων στην περιοχή GeV. Ο ανιχνευτής ORCA θα αποτελείται από 115 κάθετες διατάξεις σε πλέγμα 20 m, με απόσταση 9 m μεταξύ των ψηφιακών οπτικών στοιχείων. Συνολικά, η διάταξη έχει διάμετρο περίπου 210 m και οι κάθετες διατάξεις έχουν μήκος 200 m.

Η θέση των ανιχνευτικών μονάδων και ο χρόνος άφιξης του φωτός στους φωτοπολλαπλασιαστές μετρώνται με μεγάλη ακρίβεια. Κάθε οπτική μονάδα έχει διάμετρο περίπου 44 centimetres (17 in), περιέχει 31 φωτοπολλαπλασιαστές τριών ιντσών με υποστηρικτικά ηλεκτρονικά στοιχεία και συνδέεται με την ακτή μέσω ενός οπτικού δικτύου υψηλού εύρους ζώνης ^[5]. Μέσω ενός ηλεκτρο-οπτικού δικτύου καλωδίων και κιβωτίων διακλάδωσης στον πυθμένα της θάλασσας, οι οπτικές μονάδες ανίχνευσης συνδέονται τον σταθμό ελέγχου στην ακτή για την τροφοδοσία και τον έλεγχο του ανιχνεύτη καθώς και για την μετάδοση των δεδομένων.^[6]

Καθώς οι ανιχνευτικές διατάξεις με τα οπτικά στοιχεία κινούνται με τα ρεύματα στη βαθιά θάλασσα, η θέση και ο προσανατολισμός των οπτικών στοιχείων και επομένως των φωτοπολλαπλασιαστών στο εσωτερικό τους παρακολουθούνται δυναμικά χρησιμοποιώντας ένα ακουστικό σύστημα και ένα σύστημα πυξίδας, αντίστοιχα.^[7] Σε κάθε οπτικό στοιχείο χρησιμοποιούνται ελεγχόμενα παλμικά LED φώτα για τη βαθμονόμηση χρόνου.^[8]

Στην ακτή κάθε τοποθεσίας εγκατάστασης KM3NeT, ένα σύστημα υπολογιστών εκτελεί το πρώτο "καθαρισμό/φιλτράρισμα" των δεδομένων, πριν από τη ροή τους σε ένα κεντρικό σύστημα για την αποθήκευση και περαιτέρω ανάλυση τους από τους επιστήμονες του KM3NeT.

Η κατασκευή και η ανάπτυξη πολλών από τα κομμάτια του ανιχνευτή απεικονίζονται στα βίντεο ^[9].

Κατασκευή των ανιχνευτών

Ο σχεδιασμός του τηλεσκοπίου νετρίνων KM3NeT είναι αρθρωτός και η κατασκευή γίνεται σταδιακά στο χρόνο. Το 2012 ξεκίνησε η υλοποίηση του ερευνητικού προγράμματος KM3NeT με την κατασκευή των υποθαλάσσιων υποδομών στις εγκαταστάσεις KM3NeT-Fr και KM3NeT-It. Ένα πρωτότυπο ψηφιακό οπτικό στοιχείο KM3NeT έλαβε δεδομένα με επιτυχία κατά τη διάρκεια περίπου ενός έτους το 2013-2014 ως μέρος του τηλεσκοπίου ANTARES^[10]. Στη συνέχεια, μια πρωτότυπη ανιχνευτική διάταξη έλαβε δεδομένα διάρκειας περίπου ενός έτους, την περίοδο 2014-2015 ^[11]. Η δεύτερη φάση κατασκευής περιλαμβάνει την ολοκλήρωση των ανιχνευτών ARCA και ORCA στις θέσεις KM3NeT-It και KM3NeT-Fr, αντίστοιχα. Μεταξύ 2017 και 2024 για τον ανιχνευτή ORCA έχουν εγκατασταθεί 24 ανιχνευτικές διατάξεις και αντίστοιχα, για τον ανιχνευτή ARCA έχουν εγκατασταθεί 33 ανιχνευτικές διατάξεις, επομένως από τα τέλη του 2024, ήδη το >10% του ανιχνευτή λαμβάνει δεδομένα. ^[12]

Επιστημονικά αποτελέσματα

Με τις επιμέρους διαμορφώσεις ανιχνευτών, η κοινοπραξία KM3NeT έχει ήδη δημοσιεύσει μερικά ενδιαφέροντα αποτελέσματα σε επιστημονικά περιοδικά με κριτές, μεταξύ των οποίων:

Με μόνο 6 ανιχνευτικές διατάξεις του ανιχνευτή ORCA, οι παράμετροι της ατμοσφαιρικής ταλάντωσης μετρήθηκαν ως: sin²(θ₂₃) = 0.51+0.04
−0.05, and ∆m²₃₁ = 2.18+0.25
−0.35 × 10⁻³ eV² ${\displaystyle \cup }$ { -2.25, -1.76 } × 10⁻³ eV² σε 68% CL ^[13].

Πραγματοποιήθηκε αναζήτηση νετρίνων με τα δεδομένα των ανιχνευτών KM3NeT για την τρίτη περίοδο λειτουργίας (2019-2020) των συμβολομέτρων βαρυτικών κυμάτων LIGO και Virgo. Και για τις δύο αναζητήσεις δεν παρατηρήθηκε σημαντική συνεισφορά από γεγονότα νετρίνων για τις πηγές στους καταλόγους βαρυτικών κυμάτων. Για κάθε πηγή, έχουν τεθεί ανώτατα όρια στη ροή των νετρίνων και στη συνολική ενέργεια που εκπέμπεται με τα νετρίνα στις αντίστοιχες ενεργειακές περιοχές. Αναλύσεις (stacking analyses) των δυαδικών συγχωνεύσεων μαύρων τρυπών και των συγχωνεύσεων αστέρα νετρονίων-μαύρης τρύπας έχουν επίσης πραγματοποιηθεί για να οριοθετηθεί η χαρακτηριστική εκπομπή νετρίνων από τις αντίστοιχες κατηγορίες ^[14].

Με εμποτισμένες 10 ανιχνευτικές συστοιχίες του ανιχνευτή ORCA και 21 συστοιχίες του ARCA, πραγματοποιήθηκε μελέτη παρατήρησης για το εξαιρετικά φωτεινό παροδικό φαινόμενο που ανιχνεύθηκε από τον ανιχνευτή εκρήξεων ακτίνων γάμμα (GRBs) στις 9 Οκτωβρίου 2022, από τον δορυφόρο Fermi. Δεν βρέθηκαν υποψήφια γεγονότα νετρίνων που να συμπίπτουν με τη θέση της έκρηξης ακτίνων γάμμα. Παρουσιάστηκαν τα σχετικά ανώτατα όρια της εκπομπής νετρίνων ^[15].

Πολλές περισσότερες μελέτες έχουν δημοσιευτεί σχετικά με: την αόρατη διάσπαση νετρίνων (invisible neutrino decay), τα sterile neutrinos, τις μη-συνήθεις αλληλεπιδράσεις νετρίνων (non-standard neutrino interactions), την αναζήτηση της Σκοτεινής Ύλης, την κβαντική αποσυνοχή (quantum decoherence) στις ταλαντώσεις νετρίνων, ατμοσφαιρικών μιονίων, διάχυτης ροής νετρίνων, νετρίνων προερχόμενων απο σημειακές πηγές, την παρατήρηση Γαλαξιων Αστέρων (Starburst Galaxies), την παρατήρηση σουπερνόβα κατάρρευσης πυρήνα core collapse supernova, και μελέτες σε συνδυασμό με άλλα πειράματα όπως το JUNO και το CTA ^[16].

Επιπλέον, με βάση λεπτομερείς προσομοιώσεις Monte Carlo, οι προοπτικές των ανιχνευτών KM3NeT παρουσιάζονται σε δημοσιεύσεις όπως: ^{[17] [18]}.

Μπορείτε να βρείτε μια πλήρη λίστα επιστημονικών και τεχνικών εργασιών KM3NET στο INSPIRE HEP^[19]. Το KM3NeT δεσμεύεται για δημοσιεύσεις τύπου Open Access.

Σχέση με τα ευρωπαϊκά θεσμικά όργανα

Το 2006 το KM3NeT συμπεριλήφθηκε στον οδικό χάρτη του Ευρωπαϊκού Στρατηγικού Φόρουμ για τις Ερευνητικές Υποδομές (ESFRI), ο οποίος αναγνωρίζει ως προτεραιότητα την ερευνητική υποδομή KM3NeT για τις επιστημονικές ανάγκες της Ευρώπης για τα επόμενα 10-20 χρόνια. Η υποστήριξη ανανεώθηκε από το Συμβούλιο της Ευρωπαϊκής Ένωσης για την περίοδο 2019-2026, επιτρέποντας, για παράδειγμα, την έναρξη του έργου KM3NeT-INFRADEV2 (2023-2025) για την πλήρη υλοποίηση της ερευνητικής υποδομής KM3NeT ^[20].

Το KM3NeT έχει επωφεληθεί από διάφορες χρηματοδοτήσεις μέσω των ευρωπαϊκών προγραμμάτων έρευνας και καινοτομίας, συμπεριλαμβανομένων των Horizon 2020 και Horizon Europe. Μαζί με αυτό, η υλοποίηση του KM3NeT στις διαφορετικές περιοχές της Μεσογείου επωφελήθηκε επίσης από χρηματοδότηση μέσω του Ευρωπαϊκού Ταμείου Περιφερειακής Ανάπτυξης (ERDF), επιβεβαιώνοντας τις οικονομικές, κοινωνικές και εδαφικές δυνατότητες του KM3NeT σε περιφερειακό επίπεδο.

Τέλος, το KM3NeT συμμετείχε σε πολλά ευρωπαϊκά έργα, με επικεφαλής τους εταίρους της κοινοπραξίας. Για παράδειγμα, το KM3NeT συμμετέχει στο δίκτυο EMSO, παρέχοντας μακροπρόθεσμη πρόσβαση στην έρευνα των επιστημών της Γης και της Θάλασσας. Το KM3NeT συμμετείχε στο έργο ASTERICS ^[21] και εξακολουθεί να συμμετέχει στην ευρωπαϊκή πρωτοβουλία EOSC για την Ανοικτή Επιστήμη καθώς και στο σχετικό έργο ESCAPE ^[22]. Τέλος, το KM3NeT ασχολείται επίσης με την επιστήμη των πολιτών, ιδίως μέσω του έργου REINFORCE ^[23].

Παγκόσμιο Δίκτυο Νετρίνων

Μαζί με τα ANTARES, Baikal, IceCube, P-ONE και RNO-G, το KM3NeT είναι μέρος του Παγκόσμιου Δικτύου Νετρίνων ^[24].

Συλλογή Εικόνων

• The KM3NeT LOM (Launching vehicle of Optical Modules) being loaded onto the RV Pelagia deployment vessel. A full string detection is rolled onto the LOM. After arrival at the seabed the string is unrolled to its full length.
  The KM3NeT LOM (Launching vehicle of Optical Modules) being loaded onto the RV Pelagia deployment vessel. A full string detection is rolled onto the LOM. After arrival at the seabed the string is unrolled to its full length.

Παραπομπές

1. https://www.km3net.org/
2. https://www.km3net.org/about-km3net/collaboration/
3. The KM3NeT Collaboration (2016). «KM3NeT 2.0 – Letter of Intent for ARCA and ORCA». J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 43: 084001. doi:10.1088/0954-3899/43/8/084001. 
4. https://www.km3net.org/research/detector/
5. «The KM3T multi-PMT module». Journal of Instrumentation 17 (7): 07038. 2022. doi:10.1088/1748-0221/17/07/P07038. Bibcode: 2022JInst..17P7038A. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/17/07/P07038. 
6. The KM3NeT Collaboration (2023). «KM3NeT Broadcast Optical Data Transport System». Journal=Volume=Instruee: T02001. doi:10.1088/1748-0221/18/02/T02001. Bibcode: 2023JInst..1802001A. 
7. The KM3NeT Collaboration (2023). «theDynamical positions». Πρακτικά του 38ου Διεθνούς Συνεδρίου Κοσμικής Ακτίνας — PoS(ICRC2023). σελ. 1033. doi:10.22434free.access. Check |doi= value (βοήθεια). 
8. The KM3NeT Collaboration (2022). Nanobeacon: A time calibration device for the KM3NeT neutrino telescope and Mecleysthodics Instruments. 1040, σελ. 167132. doi:10.1016/j.nima.2022.167132. Bibcode: 2022NIMPA104067132A. 
9. https://www.youtube.com/@KM3NeTneutrino/playlists
10. The KM3NeT Collaboration (2014). «Κατασκευή ψηφιακής μονάδας βαθέων υδάτων». Ευρ. Phys. J. C 74 (9): 3056. doi:10.1140/epjc/s10052-014-3056-3. Bibcode: 2014EPJC5. 
11. «Η μονάδα ανίχνευσης πρωτοτύπου του ανιχνευτή KM3NeT». Ευρ. Phys. J. C 76 (2): 54. 2016. doi:10.1140/epjc/s10052-015-3818T=The. Bibcode: 2016EPJC...76...54A. 
12. https://www.km3net.org/welcome-km3net-arca33-and-km3net-orca24/
13. The KM3NeT Collaboration (2024). «Measurement of neutrino oscillation parameters with the first six detection units of KM3NeT/ORCA». Journal of High Energy Physics 2024: 1--31. doi:10.1007/JHEP10(2024)206. 
14. The KM3NeT Collaboration (2024). «Searches for neutrino counterparts of gravitational waves from the LIGO/Virgo third observing run with KM3NeT». Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2024: 026. doi:10.1088/1475-7516/2024/04/026. 
15. The KM3NeT Collaboration (2024). «Search for Neutrino Emission from GRB 221009A using the KM3NeT ARCA and ORCA detectors». Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2024: 006. doi:10.1088/1475 7516/2024/08/006. 
16. https://www.km3net.org/about-km3net/publications/
17. The KM3NeT Collaboration (2024). «Astronomy potential of KM3NeT/ARCA». The European Physical Journal C 2024: 885. doi:10.1140/epjc/s10052-024-13137-2. 
18. The KM3NeT Collaboration (2022). «Combined sensitivity of JUNO and KM3NeT/ORCA to the neutrino mass ordering». Journal of high energy physics 2022: 1--31. doi:10.1007/JHEP03(2022)055. 
19. https://inspirehep.net/experiments/1108236
20. https://cordis.europa.eu/project/id/10910
21. «ASTERICS project». 
22. «ESCAPE project». 
23. «REINFORCE project». 
24. https://www.globalneutrinonetwork.org/