2023 წლის 13 თებერვალს, ხმელთაშუაზღვის სიღრმეში მდებარე სამეცნიერო სადგურმა სახელწოდებით KM3NeT რეკორდულად მაღალენერგეტიკული ნეიტრინო დააფიქსირა, რომლის ენერგია 220 პეტაელექტრონვოლტს (PeV) შეადგენს. აღმოჩენა ცალსახად მნიშვნელოვანია, რადგან ნეიტრინო განსაკუთრებით რთულად დასაფიქსირებელი ნაწილაკია, რომელსაც ძალიან მცირე მასა აქვს და მატერიასთან სუსტად ურთიერთქმედებს.

KM3NeT საერთაშორისო პროექტია და მასში მონაწილეობას საქართველოდან, თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტი და საქართველოს უნივერსიტეტი იღებს. კვლევა გამოქვეყნდა ისეთ პრესტიჟულ ჟურნალებში როგორებიცაა Nature და Science.

ეს აღმოჩენა, არა მხოლოდ ნეიტრინოების კვლევის მნიშვნელობას უსვამს ხაზს, არამედ კოსმოსში მიმდინარე მოვლენებზე ახალ ინფორმაციებსაც გვაწვდის. ჟურნალ Nature-ის შეფასებით, აღმოჩენა უმნიშვნელოვანესია ასტრონომიისთვის და იგი კოსმოსური მოვლენების შესასწავლად ახალ ფანჯარას ხსნის. საიდან მოდის ეს ნაწილაკები და რა პროცესები იწვევს მათ წარმოქმნას? ეს კითხვები კვლავ პასუხგაუცემელია, მაგრამ KM3NeT, რომელიც ევროპელი მეცნიერების ერთობლივი ძალისხმევით ფუნქციონირებს, სამყაროს ამ და სხვა მრავალი ფიზიკური ფენომენის ამოხსნაში ეხმარება.

რა არის ნეიტრინო?

ნეიტრინო ერთ-ერთი ყველაზე იდუმალი და საინტერესო ფენომენია ფიზიკაში. ეს არის ელემენტარული ნაწილაკი, რომელიც არ ატარებს ელექტრულ მუხტს და აქვს უკიდურესად მცირე მასა. ამ თვისებების გამო, სამეცნიერო სამყაროში ბევრი მას "მოჩვენება ნაწილაკად" მოიხსენიებს. ნეიტრინოები მაღალენერგეტიკული რეაქციების დროს წარმოიქმნება, როგორებიცაა, მზის შიგნით მიმდინარე ბირთვული შერწყმა, ზეახალი ვარსკვლავის აფეთქება და რადიოაქტიური დაშლა.

ამ ნაწილაკს აქვს კიდევ ერთი უნიკალური თვისება, ის მხოლოდ სუსტ ურთიერთქმედებაში შედის მატერიასთან, ანუ გარემოსგან გრავიტაციულ ან ელექტრომაგნიტურ ზემოქმედებას ფაქტობრივად არ განიცდის. ყოველ წამს ტრილიონობით ნეიტრინო გადის ჩვენს სხეულში და დედამიწაში ისე, რომ პრაქტიკულად არაფერს ეჯახება, შესაბამისად ვერც ვამჩნევთ. სწორედ ეს უჩინარი ბუნება ხდის მათ აღმოჩენასა და შესწავლას ურთულეს ამოცანად.

"ნეიტრინო ტრაექტორიას ფაქტობრივად არ იცვლის, მისი მიმართულების დაფიქსირების შემთხვევაში კი საშუალება გვეძლევა შევისწავლოთ პოტენციური წყარო, სადაც წარმოიქმნა და საიდანაც გამოსხივდა ის. ნეიტრინო მნიშვნელოვან როლს თამაშობს გალაქტიკური ობიექტების, სამყაროს წარმოქმნისა და თვითონ ნაწილაკის მახასიათებლების შესწავლაში", — ამბობს თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტის დოქტორანტი, მაღალი ენერგიების ფიზიკის ინსტიტუტის მეცნიერ თანამშრომელი და KM3NeT კოლაბორაციის წევრი გიორგი ქისტაური ჩვენთან ინტერვიუში.

ნეიტრინოს კვლევა მრავალი დარგისთვის სტრატეგიულად მნიშვნელოვანია. მაგალითად, ასტროფიზიკაში ის გვაძლევს ისეთი შორეული და რთული მოვლენების შესწავლის საშუალებას, როგორებიცაა ზეახალი ვარსკვლავები, შავი ხვრელები ან მასიური ნეიტრონული ვარსკვლავები. გარდა ამისა, ნეიტრინოზე დაფუძნებული დეტექტორები უკვე გამოიყენება ბირთვული რეაქტორების მონიტორინგისთვის. მათი საშუალებით, შეგვიძლია დავაკვირდეთ იმას თუ რა ხდება რეაქტორის შიგნით და გამოვავლინოთ საფრთხის შემცველი აქტივობა. ასევე, მომავალში მოსალოდნელია ნეიტრინოების მეშვეობით შესაძლებელი გახდეს დედამიწის შიდა სტრუქტურისა და გეოთერმული პროცესების უკეთ შესწავლა. მათი გამოყენება უკვე სცდება თეორიულ ფიზიკას და გადადის უსაფრთხოების, ენერგეტიკისა და გარემოს კვლევის სფეროებზეც.

"ნე­იტ­რი­ნო, ყვე­ლა­ზე ცუ­დად შეს­წავ­ლი­ლი ნაწილაკია და შე­საძ­ლე­ბე­ლია, რომ მი­სი თვი­სე­ბე­ბი ფუნდამენტური ფიზიკის სტანდარტულ მოდელში არ ჯდე­ბო­დეს. სწო­რედ ამ­იტ­ომ შე­იქ­მნა მის შე­სას­წავ­ლად მსოფ­ლი­ოში ერთ-ერ­თი ყვე­ლა­ზე დი­დი სა­მეც­ნი­ერო კო­ლა­ბო­რა­ცია და გამოიყო უზ­არ­მა­ზა­რი თან­ხე­ბი", — გან­მარ­ტავს პროფესორი და კოლაბორაციის თსუ-ს ჯგუფის უფროსი რე­ვაზ შა­ნი­ძე თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტის გაზეთში.

ნეიტრინოს არსებობა თავდაპირველად მხოლოდ თეორიულად ივარაუდეს. გასული საუკუნის დასაწყისში, ფიზიკის სამყაროს მთავარ პრობლემას რადიოაქტიური პროცესი — ბეტა-დაშლა (β-დაშლა) წარმოადგენდა. ამ პროცესში, ატომის ბირთვიდან გამოთავისუფლდება ელექტრონი (ან პოზიტრონი) და გარდაიქმნება სხვა ელემენტად, მაგრამ ექსპერიმენტულმა დაკვირვებებმა აჩვენა, რომ ბეტა-დაშლისას ირღვეოდა იმპულსის შენახვისა და ენერგიის მუდმივობის კანონები. ეს ფაქტი, ფიზიკაში სერიოზულ დანაკლისს აჩენდა.

საქმე იქამდე მივიდა, რომ 1931 წელს ცნობილი დანიელი ფიზიკოსი ნილს ბორი რომის კონფერენციაზე ენერგიის მუდმივობის კანონის შესაძლო არამართებულობის იდეითაც კი გამოვიდა. მეცნიერებმა სხვა მიზეზების კვლევაც დაიწყეს და საბოლოოდ ვოლფგანგ პაულის მიერ გამოთქმული ჰიპოთეზა გამართლდა. მან ივარაუდა, რომ ბეტა-დაშლისას ბირთვიდან გამოთავისუფლდება არა მხოლოდ ელექტრონი, არამედ სხვა, ჯერ კიდევ უცნობი ნაწილაკიც. ეს ნაწილაკი უნდა ყოფილიყო ელექტრულად ნეიტრალური, რათა არ ემოქმედა ელექტრულ ველზე და ძალიან მცირე მასის მქონე, რათა მისი აღმოჩენის სირთულე ახსნილიყო.

1933-34 წლებში იტალიელმა ფიზიკოსმა ენრიკო ფერმიმ ეს იდეა განავითარა და შექმნა ბეტა-დაშლის კვანტური თეორია. სწორედ მან უწოდა ამ ნაწილაკს პირველად "ნეიტრინო" (იტალიურად "პატარა ნეიტრონი").

ნეიტრინო დიდი ხნის განმავლობაში თეორიულ ფენომენად რჩებოდა. მისი არსებობის დადასტურება მხოლოდ 1956 წელს შეძლეს ამერიკელმა ფიზიკოსებმა კლაიდ კოუენმა და ფრედერიკ რეინესმა, რომლებიც ბირთვული რეაქტორიდან გამოტყორცნილ ნეიტრინოებს აკვირდებოდნენ.

ამ ნაწილაკის შესწავლას დღესდღეობით უკვე ინტენსიური სახე მიეცა. ბოლო პერიოდში ნეიტრინოს კვლევაზე რამდენიმე მნიშვნელოვანი სადგური მუშაობდა. მაგალითად, IceCube Neutrino Observatory ანტარქტიდაში, T2K (Tokai to Kamioka) იაპონიაში და KM3NET-ის უშუალო წინამორბედი სადგური ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss Environmental Survey), რომელიც 2008-2022 წლებში მუშაობდა და რომელშიც ასევე აქტიურად იყო ჩართული თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტი.

KM3NET — კუბური კილომეტრის მოცულობის ნეიტრინული ტელესკოპი

KM3NeT ხმელთაშუა ზღვის სიღრმეში მდებარე ევროპული წყალქვეშა სამეცნიერო ინფრასტრუქტურაა, რომლის ჯამური ღირებულება 200 მილიონ ევროს შეადგენს. ექსპერიმენტი მულტიდისციპლინურია და გამოიყენება დედამიწისა და ზღვის შემსწავლელი მეცნიერებების მიმართულებითაც. სადგური შეისწავლის სეისმოლოგიურ აქტივობებს და ზღვაში მიმდინარე ბიოლოგიურ პროცესებს, მაგრამ მისი მთავარი მიზანი რა თქმა უნდა ნეიტრინოების შესწავლაა. დამატებით, სადგურს აქვს პოტენციალი გადაწყვიტოს კოსმოლოგიაში არსებული ათწლეულების პრობლემა ასიმეტრიულობასთან დაკავშირებით.

"სამეცნიერო ინფრასტრუქტურის ერთ-ერთი მთავარი მოტივაცია იმის ახსნაა თუ რატომ დომინირებს სამყაროში მატერია, მაშინ როცა დიდი აფეთქებისას წესით თანაბარი ოდენობის მატერია და ანტიმატერია უნდა წარმოქმნილიყო. ამ ფენომენს მატერია-ანტიმატერიის ასიმეტრია ეწოდება. რაღაც მექანიზმით ანტიმატერია გაქრა და მატერია დარჩა. არსებობს მოდელი რომელიც ნეიტრინოებით ხსნის ამ ამბავს, ამის შემოწმებაც, სხვა მნიშვნელოვან საკითხებთან ერთად, კვლევის ერთ-ერთი მთავარი მიზანია", — აცხადებს გიორგი ქისტაური.

ჟურნალი El País სადგურის მუშაობას "განსაკუთრებით ეფექტიანად" აფასებს, რადგან მან ჯერ კიდევ არასრული ფუნქციონირების პირობებში შეძლო ისტორიული მნიშვნელობის აღმოჩენის დაფიქსირება.

KM3NeT-ის ინფრასტრუქტურა შედგება ორი დეტექტორისგან: KM3NeT-Fr — ARCA (სიცილიასთან, 3450 მ სიღრმეზე), რომელიც მაღალი ენერგიის კოსმოსური ნეიტრინოების შესწავლისთვის გამოიყენება და KM3NeT-It — ORCA (ტულონთან, 2450 მ სიღრმეზე), რომელიც უფრო მეტად ნეიტრინოების ოსცილაციების შესწავლაზეა კონცენტრირებული.

აღნიშნულმა სადგურმა, 2023 წელს "ულტრამაღალი ენერგიის" ნეიტრინო დააფიქსირა სახელწოდებით KM3-230213A. მისი წარმოშობის მიზეზი ჯერ-ჯერობით უცნობია. ვარაუდობენ რომ წყარო ჩვენი გალაქტიკის მიღმა უნდა ვეძებოთ. ჟურნალი Reuters აღმოჩენაზე წერს, რომ მისი მუხტი 220 პეტაელექტრონვოლტს (10¹⁵ ელექტრონვოლტი) შეადგენს, რაც 30-ჯერ უფრო დიდია ვიდრე დღემდე დაფიქსირებული ნებისმიერი ნეიტრინოს მაჩვენებელი, კვადრილიონჯერ დიდი ვიდრე ფოტონის მუხტი და 10 ათასჯერ დიდი ვიდრე მსოფლიოს უდიდეს ნაწილაკების ამაჩქარებელ დიდ ადრონულ კოლაიდერში წარმოქმნილი ნაწილაკების მუხტი.

ეს აღმოჩენა ფართო საზოგადოებას 2025 წლის 12 თებერვალს, თბილისის დროით 12:50-ზე გააცნო KM3NeT-ის სამეცნიერო თანამშრომლობამ, საერთაშორისო ღონისძიების ტრანსლაციით, რომელიც ერთდროულად გაიმართა რომში INFN-ის, ამსტერდამში NIKHEF-ის და პარიზში CNRS-ის ოფისებში.

ასევე: დააფიქსირეს "მოჩვენება ნაწილაკი", რომელსაც სხვებზე 100-ჯერ მეტი ენერგია აქვს

ეს აღმოჩენა ასტროფიზიკაში ახალ ფანჯარას ხსნის, რადგან ამ ენერგეტიკულ დიაპაზონში ნეიტრინოების გამოვლენა მეცნიერებს საშუალებას აძლევს შეისწავლონ ულტრა-მაღალი ენერგიის კოსმოსური მოვლენები, რომელთა წყაროები ჯერ კიდევ უცნობია. ნეიტრინოების ასეთი მაღალი ენერგია მიანიშნებს, რომ შესაძლოა კოსმოსში არსებობდეს ბუნებრივი ამაჩქარებლები, რომელთა მექანიზმები განსხვავდება ჩვენთვის ცნობილი სხვა პროცესებისგან. გარდა ამისა, ეს აღმოჩენა შესაძლოა პირველი პირდაპირი მტკიცებულება იყოს კოსმოგონიური ნეიტრინოების არსებობის შესახებ, რომლებიც წარმოიქმნება ულტრა-მაღალი ენერგიის კოსმოსური სხივების ფოტონებთან ურთიერთქმედების შედეგად. KM3NeT-ის ექსპერიმენტი მნიშვნელოვან გავლენას მოახდენს როგორც ასტროფიზიკის, ისე ნაწილაკების ფიზიკის კვლევებზე და ახალ შესაძლებლობებს შექმნის კოსმოსური მოვლენების უკეთ შესასწავლად.

ქართველი მეცნიერები საერთაშორისო კოლაბორაციაში

KM3NeT-ის დეტექტორები შედგება ციფრულ-ოპტიკური მოდულებისგან (DOM – Digital Optical Module), რომლებიც სიგნალებს აფიქსირებს და მიღებული მონაცემები ოპტიკური ბოჭკოვანი კაბელებით ხმელთაშუა ზღვის ფსკერიდან სანაპიროზე მდებარე მონაცემთა დამუშავების სერვერებს გადაეცემა, სადაც მათი შემდგომი ანალიზი ხდება. მონაცემთა შეგროვების და გადაცემის მთავარი პუნქტებია Portopalo di Capo Passero იტალიაში ARCA-თვის და La Seyne-sur-Mer საფრანგეთში ORCA-თვის.

სიგნალები მრავალი წყაროდან შეიძლება წარმოიქმნას, მაგალითად ბიოლუმინესცენციის ან კოსმოსური სხივების შედეგად, ამიტომაც მონაცემთა შეგროვების პროცესში ხდება მათი დამუშავება და საფრანგეთის ქალაქ ლიონში განთავსებულ ფიზიკის ინსტიტუტში იგზავნება. აქ ხდება დეტალური შუალედური ფილტრაცია, სადაც მონაცემთა დამუშავების ალგორითმები სიგნალებს ციფრულად აანალიზებს და საბოლოოდ ტოვებს მხოლოდ ნეიტრინოების მიერ გამოწვეულ რეალურ მოვლენებს.

გაფილტრული მონაცემები სამეცნიერო ანალიზისთვის ხელმისაწვდომია კოლაბორაციის წევრი ქვეყნების უნივერსიტეტებისა და ინსტიტუტებისთვის. თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტი KM3NeT-ის ასოცირებული წევრი 2017 წელს გახდა, 2018 წლიდან კოლაბორაციის სრულუფლებიანი წევრია. 2022 წლიდან კი პროექტს საქართველოს უნივერსიტეტიც შეუერთდა.

სწორედ ისინი ამუშავებენ ამ მნიშვნელოვნად შემცირებულ მონაცემებს. იწყება სიღრმისეული ფიზიკური ანალიზი, რათა მეცნიერებმა ნეიტრინოების ენერგეტიკული სპექტრი, მიმართულება და შესაძლო კოსმოსური წყაროები განსაზღვრონ. გიორგი ქისტაურის განცხადებით:

"ქართულ ჯგუფს პროფესორი რევაზ შანიძე ხელმძღვანელობს. ვმონაწილეობთ ექსპერიმენტული მონაცემების ანალიზში და დეტექტორის მონიტორინგში. დეტექტორის მშენებლობაში მონაწილეობის მისაღებად ლოკალური ტექნოლოგიური ბაზა არ გვაქვს. ამის მიუხედავად, ჩვენს ხელთ არსებული კომპიუტერული რესურსებით ვმუშაობთ მონაცემთა ანალიზსა და დეტექტორის ონლაინ მონიტორინგზე."

კოლაბორაცია საშუალებას აძლევს ახალგაზრდა ქართველ მეცნიერებს აქტიურად ჩაერთონ საერთაშორისო სამეცნიერო საქმიანობაში და უშუალოდ ჰქონდეთ შეხება ისეთ სერიოზულ პროექტებთან როგორიც KM3NeT-ია. შოთა რუსთაველის საქართველოს ეროვნული სამეცნიერო ფონდის ფინანსური მხარდაჭერით თსუ-ში მაღალი ენერგიების ფიზიკის ინსტიტუტში შეიქმნა, სადაც აქტიურად ხდება KM3NeT-იდან მიღებული მონაცემების დამუშავება. აღნიშნული ცენტრი მაგისტრანტებსა და დოქტორანტებს ეხმარება ადგილზევე შეძლონ სამეცნიერო საქმიანობის გაწევა.

ნეიტრინოს აღმოჩენის ისტორია თანამშრომლობაზეა დაფუძნებული. მისი არსებობის შესახებ ჰიპოთეზის გაჩენიდან, ყველა ასპექტში კარგად იკვეთება თანამედროვე სამეცნიერო სამყაროს მთავარი მონაპოვარის — თანამშრომლობის უპირატესობა. ნეიტრინოების ამ რეკორდულმა აღმოჩენამ კიდევ ერთხელ დაადასტურა, რომ სამყაროს ყველაზე ბნელი და მიუწვდომელი კუთხეების შესწავლაც კი შესაძლებელია, როდესაც მსოფლიოს მეცნიერები ყველა განსხვავების მიუხედავად თანამშრომლობენ საერთო მიზნის — კაცობრიობის წინსვლის მოტივით.

თუ სტატიაში განხილული თემა და ზოგადად: მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების სფერო შენთვის საინტერესოა, შემოგვიერთდი ჯგუფში – შემდეგი ჯგუფი.