Neutriinot ovat omituisia avaruuden vipeltäjiä. Ne vuorovaikuttavat erittäin huonosti tavallisen aineen kanssa, minkä vuoksi niitä on erittäin vaikeaa havaita.

Niitä kutsutaankin haamuhiukkasiksi, vaikka niitä on valtavasti: Noin 65 miljardia neutriinoa kulkee joka sekunti jokaisen neliösenttimetrin läpi Maan pinnalla, myös sinun lävitsesi.

Neutriinon massa on miljoona kertaa pienempi kuin elektronin, ja niitä syntyy koko ajan ällistyttävän paljon Auringossa, muissa tähdissä, supernovaräjähdyksissä ja erilaisissa avaruuden suurienergisissä tapahtumissa. Myös kaikista tapahtumista järein, big bang, synnytti neutriinoita, jota haahuilevat edelleen maailmankaikkeudessa.

Kosmiset säteet tuottavat myös neutrinoita ilmakehän molekyyleihin osuessaan.

Koska neutrinoita on hankalaa havaita, ovat neutriino-observatoriot varsin omalaatuisia. 

Nyt ennätyksellisen neutriinon havainnut laitteisto on nimeltään KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope) eli "kuutiokilometrin kokoinen neutriinoteleskooppi". Siinä on yli 5600 herkkää valoilmaisinta, jotka on sijoitettu 2500 – 3500 metrin syvyyteen Välimereen kahteen paikkaan lähellä Toulonia Ranskassa ja Sisiliaa Italiassa.

KM3NeT koostuu tällaisista palloista, joiden sisällä on otsikkokuvassa olevia pienempiä palloja, joiden sisällä valoilmaisimet ovat. KM3NeT on italialais-ranskalais-alankomaalainen yhteishanke. Kuva: KM3NeT-kollaboraatio. Otsikkokuva: Jari Mäkinen.

Pallot ovat meressä kaapeleissa, jotka kulkevat ankkurista kellukkeeseen. Piirros: KM3NeT-kollaboraatio.

Teleskooppi toimii siten, että se havaitsee valoilmaisimillaan ns. Tšerenkovin valoa. Kun neutriino törmää vesimolekyyliin, se synnyttää hiukkasia, jotka liikkuvat nopeammin kuin valo vedessä. Tämä aiheuttaa sinisen valon väläytyksen, jota kutsutaan Tšerenkovin valoksi.

Kyllä, luit oikein: hiukkaset liikkuvat valoa nopeammin. Vaikka mikään ei voi liikkua tyhjiössä valoa nopeammin, ei tilanne ole sama vedessä, missä vesi saa aikaan sen, että valon nopeus on 1,33 kertaa hitaampi kuin tyhjiössä. Väliaine, eli vesi, ei vaikuta kuitenkaan hiukkasten nopeuteen.

Valoilmaisimet havaitsevat näitä heikkoja ja harvoja sinisen valon välähdyksiä, ja kun ilmaisimia on paljon laajalla alueella, voidaan niiden avulla nähdä hiukkasen rata kolmiulotteisesti. Merten syvyyksissä on säkkipimeää, joten valontuikahdukset näkyvät hyvin.

Kun havaintoja analysoidaan tietokoneella, voidaan päätellä neutriinon alkuperä ja energia.

Piirros neutriinon radasta ja siitä, miten sen reitti voidaan saada selville. Koska neutriinot kulkevat myös maapallon läpi kuin tyhjää vain, niitä tulee teleskooppiin joka puolelta, myös alapuolelta. Piirros: KM3NeT-kollaboraatio.

30 kertaa aiempaa äreämpi neutriino

Eilen 12. helmikuuta 2025 julkaistiin Naturessa artikkeli, jossa KM3NeT-kollaboraatio kertoo havainneensa suurienergisimmän koskaan havaitun neutriinon.

Neutriinon energia on noin 220 petaelektronivolttia (PeV), eli kolmekymmentä kertaa suurempi kuin aiemmin havaitut. Kysymys kuuluukin: missä ja millaisessa prosessissa ultrakorkeaenerginen neutriino voi syntyä? 

Mustien aukkojen törmäys? Haamu maailmankaikkeuden synnystä?

Yhden havainnon perusteella on vaikea tehdä vielä johtopäätöksiä, mutta nyt tutkijat osaavat kiinnittää paremmin huomiota aivan uuden energiatason neutriinoihin ja toivoa, että niitä saadaan haaviin lisää. 

Tässä auttaa myös se, että KM3NeT ei ole vielä täysin valmis. Siihen lisätään enemmän valoilmaisimia, ja se on lopullisessa muodossaan vasta vuonna 2030.

*

Uutisen lähteenä on Ranskan kansallisen tutkimuskeskuksen CNRS:n tiedote. 

110 vuotta sitten Albert Einstein oivalsi, että valon erikoiset ominaisuudet johtuvat sen kaksinaisesta luonteesta: valo on sekä aaltoja että hiukkasia.

Kun säteily lankeaa metallipinnalle, se irrottaa atomeista elektroneja. Einsteinin selitys tälle "valosähköiselle ilmiölle" toi hänelle vuonna 1921 Nobelin palkinnon, ei suinkaan suhteellisuusteorian kehittäminen.

Valon ja ylipäätään sähkömagneettisen säteilyn kaksoisluonne tulee esiin monissa yhteyksissä ja runsaan vuosisadan aikana molemmat ominaisuudet on pystytty havaitsemaan useilla eri tavoilla. 

Aiemmin ei kuitenkaan ole saatu näkyviin sekä aalto- että hiukkasluonnetta yhtä aikaa. Lausannen teknillisessä korkeakoulussa (Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL) on nyt saatu napattua kuva, jossa näkyvät molemmat valon ominaisuudet.

Kokeessa laserpulssi ammuttiin metalliseen nanolankaan, jolloin siinä olevat varatut hiukkaset alkoivat värähdellä. Lankaan syntyi seisova aalto, joka puolestaan sai langan lähettämään ympärilleen säteilyä.  

Sen jälkeen lankaan suunnattiin elektronisuihku. Kun elektronit osuivat langan säteilemään valoon, niiden nopeus kiihtyi tai hidastui. Elektronimikroskoopin avulla onnistuttiin kuvaamaan kohta, jossa elektronien nopeus muuttui, jolloin saatiin näkyviin valonlähteenä toimiva seisova aalto. 

Samalla kun elektronit kulkivat seisovan aallon ohi, jotkut niistä osuivat säteilyhiukkasiin eli fotoneihin. Juuri se aiheutti elektronien nopeuden muuttumisen: elektronien ja fotonien välillä siirtyi energiaa tietynkokoisina paketteina, kvantteina. Näin samassa kuvassa näkyy myös valon hiukkasluonne.

Fabrizio Carbonen johtaman tutkijaryhmän mukaan koe osoittaa, että kvanttimekaniikan paradoksaalisia ominaisuuksia – kuten säteilyn olemus sekä hiukkasina että aaltoina – on mahdollista kuvata suoraan. Sillä on puolestaan merkitystä esimerkiksi kvanttitietokoneiden kehitystyön kannalta, sillä kokeen perusteella on mahdollista "nähdä" ja siten hallita kvantti-ilmiöitä nanomaailman mittakaavassa.

Kuvauksessa käytettiin EPFL:n huippunopeaa transmissioelektronimikroskooppia, joita on maailmassa ainoastaan kaksi. Tutkimuksessa olivat mukana myös Trinity College ja Lawrence Livermore National Laboratory. 

Tuloksista kerrottiin EPFL:n sivuilla ja ne julkaistiin Nature Communications -lehdessä 2. maaliskuuta.