Просмотр кода страницы KM3NeT

[[Нейтринная астрономия|Нейтринный телескоп]] '''KM3NeT''' - Европейская [[Исследование|исследовательская]] инфраструктура, расположенная на дне [[Средиземное море|Средиземного моря]]. Она включает в себя подводные [[Нейтринная астрономия|нейтринные телескопы]], регистрирующие излучение [[Эффект Вавилова — Черенкова|Вавилова - Черенкова]], предназначенные для обнаружения и изучения [[нейтрино]] из удалённых астрофизических источников, а также из нашей собственной атмосферы, что значительно способствует развитию знаний как в области [[астрофизика|астрофизики]], так и [[физика частиц|физики частиц]].<ref>[https://www.km3net.org/ KM3NeT - opens a new window on our universe<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref>

Телескопы состоят из тысяч оптических сенсорных модулей, которые обнаруживают черенковское излучение глубоко в море от заряженных частиц, возникающих при взаимодействии нейтрино с водой или горными породами вблизи детектора. Положение и направление оптических модулей, а также время прибытия света на фотоумножители регистрируются с высокой точностью. Свойства частиц, такие как их траектория и энергия, реконструируются из этих измерений.

Проект KM3NeT предусматривает строительство нескольких детекторов в глубинах Средиземного моря вдоль южного побережья Европы: KM3NeT-Fr (около [[Тулон]]а, Франция) размещает детектор ORCA ([[Английский язык|англ.]] Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), KM3NeT-It (около [[Портопало-ди-Капо-Пассеро]], Сицилия, Италия) размещает детектор ARCA ([[Английский язык|англ.]] Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss). Оба детектора собирают данные со второй половины 2010-х годов. KM3NeT-Gr (около [[Пилос]]а, Пелопоннес, Греция) доступен для расширения исследовательской инфраструктуры KM3NeT для следующего этапа.

Проект KM3NeT продолжает работу, проделанную для нейтринного телескопа [[ANTARES (телескоп)|ANTARES]], который располагался у побережья Франции и собирал данные с 2008 по 2022 год.

Управление строительством и эксплуатация KM3NeT осуществляется международным сотрудничеством с участием более 68 институтов из 21 страны мира. Коллаборация KM3NeT состоит из около 360 ученых, а также инженеров и техников.<ref>[https://www.km3net.org/about-km3net/collaboration/ Collaboration - KM3NeT<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref>

== Научные цели ==

Основными целями<ref>{{Cite journal|year=2016|title=KM3NeT 2.0 – Letter of Intent for ARCA and ORCA |doi=10.1088/0954-3899/43/8/084001|last1=The KM3NeT Collaboration |journal=J. Phys. G: Nucl. Part. Phys.
|volume=43 |pages=084001|doi-access=free|arxiv=1601.07459}}</ref> коллаборации KM3NeT являются:

# Открытие и последующее наблюдение источников [[нейтрино]] высокой энергии во [[Вселенная|Вселенной]], изучение широкого спектра космических объектов, таких как [[Остаток сверхновой|остатки сверхновых]], [[гамма-всплеск]]и, [[Сверхновая звезда|сверхновые]] или сталкивающиеся звезды. Идентифицируя нейтрино из этих источников, KM3NeT стремится предоставить информацию о происхождении космических лучей и механизмах, происходящих в некоторых из самых экстремальных событий во Вселенной.
# Детальные исследования фундаментальных свойств нейтрино, таких как [[нейтринные осцилляции]], в частности для определения {{нп|Иерархия масс нейтрино|порядка масс нейтрино|en|Neutrino mass hierarchy}} путем измерения [[Нейтринные осцилляции|осцилляций]] атмосферных нейтрино. Способность различать различные состояния масс нейтрино предоставит важную информацию о природе нейтрино и их роли в [[Стандартная модель|Стандартной модели физики элементарных частиц]].

Помимо этих основных научных целей, телескоп служит инструментом по поиску [[Тёмная материя|темной материи]] во Вселенной. Кроме того, исследовательская инфраструктура содержит приборы для других наук, таких как [[Биология океана|морская биология]], [[Океанология|океанография]] и [[геофизика]], для долгосрочного мониторинга глубоководной среды и морского дна на глубинах в несколько километров.

Детектор ARCA представляет собой телескоп размером в кубический километр, который предназначен для поиска источников нейтрино в [[космос]]е. Детектор ORCA оптимизирован для измерения свойств самой частицы нейтрино и, таким образом, для исследования вопросов, связанных с [[Физика элементарных частиц|физикой элементарных частиц]].

== Дизайн детекторов ==
[[File:KM3NeT DOM in the lab.jpg|thumb|Цифровой Оптический Модуль (ЦОМ, англ. DOM) KM3NeT в лаборатории|left]]

Инфраструктуры во Франции и Италии спроектированы так, чтобы состоять из почти 200 000 детекторов света, [[Фотоэлектронный умножитель|ФотоЭлектронных Умножителей]] (ФЭУ), распределенных в трех, так называемых, строительных блоках: два для KM3NeT/ARCA и один для KM3NeT/ORCA. Строительный блок состоит из 115 гибких вертикальных струн (линий) - или Детекторных Блоков (ДБ, англ. DU), - закрепленных на морском дне. На каждом ДБ располагаются 18 устойчивых к давлению Цифровых Оптических Модулей (ЦОМ, англ. DOM), и каждый ЦОМ состоит из 31 ФЭУ. Таким образом, каждый строительный блок представляет собой трехмерный массив фотодатчиков, которые могут использоваться для обнаружения черенковского излучения, создаваемого релятивистскими частицами, возникающими в результате взаимодействия нейтрино.<ref>[https://www.km3net.org/research/detector/ The neutrino detectors - KM3NeT<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref>

Детектор ARCA, расположенный на месте установки KM3NeT-It, находится на глубине 3450 м. Он оптимизирован для обнаружения высокоэнергетических космических нейтрино в диапазоне ТэВ–ПэВ за счет большого расстояния между оптическими модулями: 18 ЦОМ примерно равномерно распределены на струнах длиной около 700 м, на расстоянии около 90 м друг от друга.

Детектор ORCA, расположенный на месте установки KM3NeT-Fr, находится на глубине 2475 м. Благодаря более близкому расположению оптических модулей, детектор ORCA оптимизирован для обнаружения нейтрино в диапазоне энергий ГэВ. ORCA будет состоять из 115 струн, находящихся на расстоянии около 20 м друг от друга, с вертикальным расстоянием между оптическими модулями в струне в 9 м. Общий диаметр детектора ORCA составляет около 210 м, а длина струн - 200 м.

Положение оптических модулей и время регистрации света на фотоумножителях измеряются с высокой точностью. Каждый оптический модуль имеет диаметр около 44 сантиметров (17 дюймов), содержит 31 трехдюймовый ФЭУ с соответствующей электроникой и подключен к берегу через широкополосную оптическую сеть.<ref>{{Cite journal|year=2022 |title=The KM3NeT multi-PMT optical module |url=https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/17/07/P07038 |doi=10.1088/1748-0221/17/07/P07038|arxiv=2203.10048 |last1=The KM3NeT Collaboration |journal=Journal of Instrumentation |volume=17 |issue=7 |pages=07038|bibcode=2022JInst..17P7038A }}</ref> Оптические модули подключаются к станциям управления на берегу через электрооптическую сеть кабелей и распределительных коробок на морском дне для подачи электроэнергии, управления детекторами и передачи данных.<ref>{{Cite journal|year=2023 |title=KM3NeT Broadcast Optical Data Transport System |doi=10.1088/1748-0221/18/02/T02001 |last1=The KM3NeT Collaboration |journal=Journal of Instrumentation |volume=18 |issue=2 |pages=T02001|doi-access=free |arxiv=2210.13328 |bibcode=2023JInst..1802001A }}</ref>

Поскольку струны с оптическими модулями находятся в движении из-за глубоководных течений, положение и ориентация оптических модулей и, следовательно, ФЭУ внутри них динамически отслеживаются с помощью акустической и компасной систем соответственно.<ref>{{Cite book|year=2023 |chapter=Dynamical position and orientation calibration of the KM3NeT telescope |chapter-url=https://pos.sissa.it/444/1033/pdf|last1=The KM3NeT Collaboration |title=Proceedings of 38th International Cosmic Ray Conference — PoS(ICRC2023) |pages=1033 |doi=10.22323/1.444.1033|doi-access=free }}</ref> В каждом оптическом модуле для калибровки времени используются управляемые светодиодные импульсные генераторы.<ref>{{Cite journal |last1=The KM3NeT Collaboration |year=2022 |title= Nanobeacon: A time calibration device for the KM3NeT neutrino telescope|journal= Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A |volume=1040 |pages=167132 |doi=10.1016/j.nima.2022.167132|doi-access=free |arxiv=2111.00223 |bibcode=2022NIMPA104067132A |hdl=10481/76880 |hdl-access=free }}</ref>

На берегу каждого места установки KM3NeT сеть компьютеров выполняет первую фильтрацию данных перед их потоковой передачей в центральный центр обработки данных для хранения и дальнейшего анализа учеными KM3NeT.

Строительство и развертывание многих частей детектора проиллюстрированы в нескольких видеороликах.<ref>[https://www.youtube.com/@KM3NeTneutrino/playlists KM3NeTneutrino - YouTube<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref>

== История строительства ==
Конструкция нейтринного телескопа KM3NeT является модульной, а строительство разделено по времени. В 2012 году реализация исследовательского проекта KM3NeT началась со строительства инфраструктур на морском дне на площадках KM3NeT-Fr и KM3NeT-It. Прототип оптического модуля KM3NeT успешно собирал данные в течение примерно года в 2013-2014 годах в составе телескопа [[ANTARES (телескоп)|ANTARES]].<ref>{{Cite journal |last1=The KM3NeT Collaboration |year=2014 |title=Deep sea tests of a prototype of the KM3NeT digital optical module |journal=Eur. Phys. J. C |volume=74 |issue=9 |pages=3056 |doi=10.1140/epjc/s10052-014-3056-3|doi-access=free |arxiv=1405.0839 |bibcode=2014EPJC...74.3056A }}</ref> На месте установки KM3NeT-It прототип струны собирал данные в 2014–2015 годах, также в течение примерно одного года.<ref>{{Cite journal|year=2016 |title=The prototype detection unit of the KM3NeT detector|doi=10.1140/epjc/s10052-015-3868-9 |last1=The KM3NeT Collaboration | journal=Eur. Phys. J. C |volume=76 |issue=2 |pages=54|doi-access=free |arxiv=1510.01561 |bibcode=2016EPJC...76...54A }}</ref>

Вторая фаза строительства включает завершение установки детекторов ARCA и ORCA на площадках KM3NeT-It и KM3NeT-Fr соответственно. В период с 2017 по 2024 год было установлено 24 струны ORCA, и 33 струны ARCA. Таким образом, на конец 2024 года >10% детектора собирали данные.<ref>[https://www.km3net.org/welcome-km3net-arca33-and-km3net-orca24/ Welcome ARCA33 and ORCA24! - KM3NeT<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref>

==Научные результаты==
С частичными конфигурациями детекторов, коллаборация KM3NeT уже опубликовала несколько интересных результатов в рецензируемых научных журналах, среди которых:

С использованием всего 6 струн детектора ORCA были измерены параметры [[Нейтринные осцилляции|осцилляций атмосферных нейтрино]], которые составили sin<sup>2</sup>(θ<sub>23</sub>) = {{val|0.51|0.04|0.05}} и ∆m<sup>2</sup><sub>31</sub> = {{val|2.18|0.25|0.35}} × 10<sup>−3</sup> эВ<sup>2</sup> <math>\cup</math> { -2.25, -1.76 } × 10<sup>−3</sup> эВ<sup>2</sup> с доверительным интервалом в 68%.<ref>{{Cite journal|year=2024|title=Measurement of neutrino oscillation parameters with the first six detection units of KM3NeT/ORCA |doi=10.1007/JHEP10(2024)206|last1=The KM3NeT Collaboration |journal=Journal of High Energy Physics
|volume=2024 |pages=1--31|doi-access=free|arxiv=2408.07015}}</ref>

Поиск нейтрино был выполнен с использованием данных KM3NeT для третьего наблюдательного цикла [[Гравитационные волны|гравитационно-волновых]] обсерваторий [[LIGO]] и Virgo в 2019-2020 годах. Оба поиска не выявили статистически значимого сигнала для источников в каталогах гравитационных волн. Для каждого источника были установлены верхние пределы потока нейтрино и полной энергии, излучаемой нейтрино в соответствующих диапазонах энергий. Также были выполнены анализы бинарных слияний черных дыр и слияний нейтронных звезд и черных дыр для ограничения характерного излучения нейтрино из этих источников.<ref>{{Cite journal|year=2024|title=Searches for neutrino counterparts of gravitational waves from the LIGO/Virgo third observing run with KM3NeT |doi=10.1088/1475-7516/2024/04/026|last1=The KM3NeT Collaboration |journal=Journal of Cosmology and Astroparticle Physics
|volume=2024 |pages=026|doi-access=free|arxiv=2311.03804}}</ref>

С установленными 10 линиями ORCA и 21 линией ARCA было проведено исследование необычайно яркого временного явления, обнаруженного детектором по мониторингу [[Гамма-всплеск]]ов 9 октября 2022 года на [[Fermi (космический гамма-телескоп)|телескопе Fermi]]. Не было обнаружено никаких потенциальных нейтринных событий, совпадающих с местоположением гамма-всплеска. Были представлены верхние пределы соответствующего нейтринного излучения.<ref>{{Cite journal|year=2024|title=Search for Neutrino Emission from GRB 221009A using the KM3NeT ARCA and ORCA detectors |doi=10.1088/1475-7516/2024/08/006|last1=The KM3NeT Collaboration |journal=Journal of Cosmology and Astroparticle Physics
|volume=2024|pages=006|doi-access=free|arxiv=2311.03804}}</ref>

Было опубликовано много других исследований по следующим темам: распад нейтрино, [[Нейтринная минимальная стандартная модель|стерильные нейтрино]], нестандартные взаимодействия нейтрино, поиски [[Тёмная материя|темной материи]], [[Декогеренция|квантовая декогеренция]] в осцилляциях нейтрино, атмосферные [[мюон]]ы, диффузный поток нейтрино, излучение точечных источников, [[Галактика со вспышкой звездообразования|Галактики со вспышкой звездообразования]], [[Сверхновая звезда|Сверхновые звезды]], и комбинированные анализы с другими экспериментами, такими как {{нп|Jiangmen Underground Neutrino Observatory|JUNO|en|Jiangmen Underground Neutrino Observatory}} и [[Массив черенковских телескопов|CTA]].<ref>[https://www.km3net.org/about-km3net/publications/ Publications - KM3NeT<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref>

Кроме того, на основе детального [[Метод Монте-Карло|моделирования методом Монте-Карло]] перспективы детекторов ORCA и ARCA представлены, например, в публикациях:<ref>{{Cite journal|year=2024|title=Astronomy potential of KM3NeT/ARCA |doi=10.1140/epjc/s10052-024-13137-2|last1=The KM3NeT Collaboration |journal=The European Physical Journal C
|volume=2024|pages=885|doi-access=free|arxiv=2402.08363}}</ref><ref>{{Cite journal|year=2022|title=Combined sensitivity of JUNO and KM3NeT/ORCA to the neutrino mass ordering |doi=10.1007/JHEP03(2022)055|last1=The KM3NeT Collaboration |journal=Journal of high energy physics
|volume=2022|pages=1--31|doi-access=free|arxiv=2108.06293}}</ref>.

Полный список научных и технических статей KM3NeT можно найти на сайте INSPIRE-HEP.<ref>[https://inspirehep.net/experiments/1108236 Inspire<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref> KM3NeT стремится к публикации в открытом доступе.

==Обнаружение события нейтрино сверхвысокой энергии KM3-230213A==
Мюон чрезвычайно высокой энергии, прошедший через детектор ARCA на площадке KM3NeT-It, был зарегистрирован 13 февраля 2023 года в 01:16:47 UTC. Данное событие было названо KM3-230213A.<ref>{{Cite journal |last=Aiello |first=S. |last2=Albert |first2=A. |last3=Alhebsi |first3=A. R. |last4=Alshamsi |first4=M. |last5=Alves Garre |first5=S. |last6=Ambrosone |first6=A. |last7=Ameli |first7=F. |last8=Andre |first8=M. |last9=Anghinolfi |first9=M. |last10=Aphecetche |first10=L. |last11=Ardid |first11=M. |last12=Ardid |first12=S. |last13=Argüelles |first13=C. |last14=Atmani |first14=H. |last15=Aublin |first15=J. |display-authors=1 |date=2025-02-12 |title=Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT |url=https://www.nature.com/articles/s41586-024-08543-1 |journal=Nature |language=en |volume=638 |issue=8050 |pages=376–382 |doi=10.1038/s41586-024-08543-1 |issn=1476-4687|doi-access=free }}</ref> На момент наблюдения работала 21 струна ARCA. Траектория мюона была восстановлена используя измеренное время и положение первых зарегистрированных фотонов на фотоумножительных трубках в оптических модулях.

Направление KM3-230213A реконструировано как почти горизонтальное, на 0.6 градуса выше горизонта. Измеренная энергия мюона составляет 120 ПетаэлектронВольт (ПэВ) с погрешностью от +110 ПэВ до −60 ПэВ. Учитывая чрезвычайно высокую энергию и его направление около горизонта, мюон, скорее всего, возник в результате взаимодействия космического нейтрино еще более высокой энергии вблизи детектора. Энергия нейтрино, которое производит такие мюоны в детекторе ARCA, оценивается в 220 ПэВ. KM3-230213A является самым высокоэнергетическим нейтринным событием, наблюдавшимся до сих пор.

Огромная энергия позволяет предположить, что нейтрино могли возникнуть в ином космическом ускорителе, чем нейтрино с более низкой энергией, или что это может быть первое обнаружение космогенного нейтрино, возникшего в результате взаимодействия космических лучей сверхвысокой энергии с фоновыми фотонами во Вселенной.

==Глобальная сеть нейтрино==
Вместе с [[ANTARES (телескоп)|ANTARES]], [[Байкальский подводный нейтринный телескоп|Байкальским нейтринным телескопом]], [[IceCube]], {{нп|P-ONE|P-ONE|en|Pacific Ocean Neutrino Experiment}} и {{нп|RNO-G|RNO-G|en|Radio Neutrino Observatory Greenland}}, KM3NeT является частью глобальной сети нейтрино (англ. Global Neutrino Network).<ref>[https://www.globalneutrinonetwork.org/ GNN<!-- Заголовок добавлен ботом -->]</ref>

== См. также ==
*[http://www.km3net.org/ Сайт проекта]
*[[Нейтрино]]
*[[ANTARES (телескоп)]]
*[[Байкальский подводный нейтринный телескоп]]
*[[IceCube]]

== Примечания ==
{{примечания}}

{{Детекторы нейтрино}}

[[Категория:Исследование]]
[[Категория:Средиземное море]]
[[Категория:Нейтринная астрономия]]
[[Категория:Эффект Вавилова — Черенкова]]
[[Категория:Нейтринные обсерватории]]
[[Категория:Телескопы]]
[[Категория:Экспериментальная физика]]