Portal informacyjny
Nauki ścisłe
Nobel z fizyki: neutrina jako kosmiczni posłańcy
Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki otrzymał Francis Halzen. Urodzony w Belgii fizyk cząstek został doceniony za decydujący wkład w powstanie na biegunie południowym Obserwatorium Neutrin IceCube oraz odkrycie wysokoenergetycznych neutrin pochodzenia astrofizycznego. Zawiłości badawczych dociekań tegorocznego laureata wyjaśnia prof. Krzysztof Katarzyński, dyrektor Instytutu Astronomii UMK.
Jak czytamy w uzasadnieniu Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk, Nagrodę Nobla Francisowi Halzenowi z Uniwersytetu Wisconsin-Madison przyznano za" przełomowy wkład w powstanie i rozwój Obserwatorium Neutrin IceCube oraz odkrycie wysokoenergetycznych neutrin pochodzenia astrofizycznego".
Od światła do neutrin
Tematykę badań laureata oraz historię zainteresowania tym tematem przybliża dr hab. Krzysztof Katarzyński, prof. UMK, dyrektor Instytutu Astronomii UMK, zaangażowany w projekt H.E.S.S., współautor kilku publikacji powstałych we współpracy z IceCube oraz innymi obserwatoriami:
"Od zarania dziejów ludzkość bada i próbuje zrozumieć otaczający nas Wszechświat. Przez tysiąclecia badania te prowadzono przy użyciu różnych, często prymitywnych metod i w bardzo wąskim zakresie, czyli wyłącznie z wykorzystaniem dobrze nam znanego światła widzialnego. Dopiero pod koniec XIX wieku odkryto promieniowanie radiowe (Heinrich Rudolf Hertz, 1886), które do badań astronomicznych zaczęto efektywnie wykorzystywać dopiero po II wojnie światowej. W tym czasie zaczęto również rozwijać techniki obserwacji w podczerwieni, promieniowaniu nadfioletowym, rentgenowskim, a później także w zakresie gamma.
Warto podkreślić, że wszystkie te rodzaje promieniowania mają tę samą naturę i są ogólnie określane mianem fal elektromagnetycznych. Współczesna astronomia uznaje fale elektromagnetyczne za jednego z tzw. posłańców kosmicznych, czyli nośników informacji z przestrzeni kosmicznej.
Kolejnym posłańcem jest tzw. promieniowanie kosmiczne, czyli cząstki elementarne o dużych energiach, głównie protony, które "bombardują" naszą atmosferę. Zostały one odkryte na początku XX wieku (Victor Franz Hess, Nagroda Nobla z fizyki w 1936 roku). Przenoszą bardzo ważne informacje o zjawiskach zachodzących w naszym Układzie Słonecznym, Galaktyce oraz Wszechświecie. Z drugiej strony silnie oddziałują z materią oraz polami magnetycznymi we Wszechświecie, często zmieniając kierunek swojego ruchu. Sprawia to, że niemal niemożliwe jest określenie, w jakich obiektach powstały, a co za tym idzie, wskazanie źródła informacji, którą przynoszą.
Cząstki, które przenikają wszystko
I tu na arenę wkraczają neutrina – cząstki elementarne, których istnienie przewidział w latach 30. XX wieku Wolfgang Pauli, jeden z twórców mechaniki kwantowej (Nagroda Nobla z fizyki w 1945 roku). Odkryto je w laboratorium dopiero w 1956 roku (Frederick Reines, Nagroda Nobla z fizyki w 1995 roku). Neutrina nie posiadają ładunku elektrycznego i nie uczestniczą w tzw. oddziaływaniach silnych, które łączą kwarki w protony i neutrony, a te z kolei w jądra atomowe. W rezultacie bardzo słabo oddziałują z materią – bez problemu mogą przenikać nawet całe planety albo przemierzać ogromne dystanse we Wszechświecie, z minimalną szansą na to, że zostaną po drodze "zatrzymane".
Wydawać by się zatem mogło, że neutrina są idealnymi posłańcami w świecie cząstek elementarnych, znacznie lepszymi niż protony czy elektrony. Zwłaszcza że wiemy, iż są masowo produkowane w różnych zjawiskach astrofizycznych. Na przykład przez każdy centymetr kwadratowy powierzchni naszego ciała przelatuje przeszło 60 miliardów neutrin na sekundę. Ich źródłem jest synteza jądrowa zachodząca w centrum Słońca, czyli proces będący źródłem jego energii. Ogromne strumienie neutrin powstają również podczas wybuchów gwiazd supernowych.
W poszukiwaniu neutrin
Wyjątkowa zdolność neutrin do swobodnego przemieszczania się we Wszechświecie stanowi jednak z drugiej strony ogromny problem, jeśli chodzi o ich wychwytywanie i detekcję. Jak zbudować detektor czegoś, co bez trudu przenika całą kulę ziemską? Jak to zatrzymać i zmierzyć?
Pierwsze detektory neutrin (Homestake, Kamiokande II, Super-Kamiokande, GALLEX, SAGE, Sudbury Neutrino Observatory) były dużymi zbiornikami wypełnionymi różnymi cieczami, np. związkami chloru, wodą, ciekłym galem czy ciężką wodą. Umieszczano je zwykle głęboko pod ziemią, często w opuszczonych kopalniach, aby ograniczyć wpływ innych, mniej przenikliwych cząstek na wyniki pomiarów. Zadaniem tych detektorów było wychwycenie choćby kilku neutrin z ogromnego strumienia produkowanego przez nasze Słońce.
I to się udało, ale od razu wzbudziło ogromną konsternację wśród naukowców, ponieważ neutrin było znacznie mniej, niż spodziewano się na podstawie obliczeń teoretycznych. Sprawdzono obliczenia, które okazały się poprawne, a następnie pomiary, wykonane różnymi, niezależnymi metodami, które również dawały spójne wyniki. Wyszło więc na to, że widocznie "nikt nie poinformował naszego Słońca", ile neutrin powinno produkować.
Rozwiązaniem tej zagadki okazała się "złośliwa" natura neutrin, które w trakcie drogi ze Słońca na Ziemię zmieniają cyklicznie swoją postać, przechodząc pomiędzy trzema typami: elektronowym, taonowym oraz mionowym. Odkrycie dwóch z tych typów zostało uhonorowane Nagrodą Nobla z fizyki w 1988 roku (Leon Lederman, Melvin Schwartz i Jack Steinberger). W detektorach wykrywano zwykle neutrina elektronowe, podczas gdy pozostałe odpowiadały za obserwowany deficyt.
Rozwiązanie tzw. problemu neutrin słonecznych poprzez obserwacyjne potwierdzenie teorii ich oscylacji, zaproponowanej przez Bruno M. Pontecorvo, zostało nagrodzone Nagrodą Nobla z fizyki w 2015 roku (Takaaki Kajita oraz Arthur B. McDonald). Było to również dowodem na to, że neutrina posiadają niezerową masę.
Pierwsze próby wychwytywania neutrin pokazały jednak ogromne ograniczenia stosowanych detektorów, związane głównie z ich relatywnie małą objętością. Udawało się zwykle rejestrować neutrina słoneczne, a w jednym wyjątkowym przypadku udało się "złapać" 25 neutrin powstałych podczas wybuchu Supernowej 1987A w Wielkim Obłoku Magellana (Masatoshi Koshiba i Raymond Davis, Nagroda Nobla z fizyki w 2002 roku). Potrzebne były detektory o znacznie większej objętości. Budowa coraz większych zbiorników napotykała jednak bariery natury technicznej i ekonomicznej.
Neutrina w lodzie
I tak narodziły się pomysły, aby wykorzystać naturalne, ogromne "zbiorniki", które mogą służyć do wychwytywania neutrin. Jednym z takich pomysłów, którego autorem jest tegoroczny noblista Francis Halzen, było wykorzystanie pokrywy lodowej na biegunie południowym, na Antarktydzie. Pokrywa lodowa Antarktydy to dziesiątki milionów metrów sześciennych lodu. Oczywiście trudno sobie wyobrazić, aby całą Antarktydę przekształcić w ogromny detektor neutrin, ale można sobie wyobrazić instrument obejmujący kilka kilometrów sześciennych. Lód Antarktydy oferuje więc niemal nieograniczone możliwości, jeśli chodzi o objętość detektora. Pozostaje jedynie odpowiednie rozmieszczenie specjalnych urządzeń pomiarowych, które pozwoliłyby wychwycić niezwykle rzadkie zjawisko oddziaływania neutrina z materią.
Tu należy krótko opisać, jak wykrywa się "neutrina w lodzie". Cząstki te czasami "uderzają" w jądra atomów tworzących cząsteczki lodu. Jest to zjawisko niezwykle rzadkie, ale możliwe do zaobserwowania. W wyniku takich "zderzeń" powstają tzw. cząstki wtórne, m.in. miony, elektrony lub taony, których energia jest na tyle duża, że poruszają się z prędkością większą od prędkości rozchodzenia się światła w danym ośrodku. W przypadku lodu musi to być prędkość większa niż około 0,76 prędkości światła w próżni.
Wtedy dochodzi do emisji tzw. promieniowania Czerenkowa (Pawieł A. Czerenkow, Ilja Frank i Igor Tamm – Nagroda Nobla z fizyki w 1958 roku). Jest to bardzo słabe, niebieskie światło widzialne, które może być rejestrowane przez odpowiednio czułe detektory. Wystarczy zatem umieścić sieć takich detektorów w określonej objętości warstwy lodu i czekać na słabe błyski niebieskiego promieniowania.
Obserwatorium IceCube
Koncepcja jest prosta, jednak jej praktyczna realizacja okazuje się dość trudna. W przypadku projektu IceCube Neutrino Observatory, którego liderem jest tegoroczny noblista, wykonano 91 odwiertów w lodzie, głębokich na prawie 2,5 km. W każdym otworze umieszczono 60 detektorów. Powstała w ten sposób sieć detektorów obejmująca objętość około jednego kilometra sześciennego, co wyjaśnia nazwę projektu – kostka lodu. Pozwala ona nie tylko wykrywać neutrina i mierzyć ich energię, ale, co bardzo ważne, również wyznaczać kierunek, z którego przyleciały.
IceCube szybko okazał się obserwatorium o przełomowym znaczeniu, dostarczającym szeregu ważnych obserwacji. W 2013 roku ogłoszono detekcję łącznie 37 neutrin, które prawdopodobnie pochodziły spoza granic Układu Słonecznego. Energia jednego z nich wynosiła około 2000 TeV. W 2018 roku ogłoszono detekcję neutrino o niespotykanie dużej energii, około 290 TeV, które pochodziło od blazara TXS 0506+056. Był to trzeci obiekt astronomiczny po Słońcu i SN 1987A zidentyfikowany jako źródło neutrin.
Kolejnym ważnym odkryciem była nadwyżka strumienia neutrin pochodzących z aktywnego jądra galaktyki Messier 77. Galaktyka ta stała się czwartym zidentyfikowanym źródłem neutrin. W 2023 roku opublikowano pierwszą mapę płaszczyzny Galaktyki z wykrytymi obszarami emisji neutrin. Neutrina, jako kosmiczni posłańcy niosący informacje o otaczającym nas Wszechświecie, zostały w końcu efektywnie wykorzystane w badaniach astronomicznych i za to właśnie osiągnięcie przyznano tę Nagrodę Nobla.
Nagrodę otrzymał co prawda tylko pomysłodawca i lider projektu IceCube, ale trzeba pamiętać, że za sukcesem tego eksperymentu stoi cały sztab naukowców i inżynierów, którzy zbudowali obserwatorium i zajmują się jego wykorzystaniem. IceCube aktywnie współpracuje również z innymi projektami naukowymi prowadzącymi badania cząstek elementarnych pochodzenia kosmicznego, takimi jak H.E.S.S., MAGIC, VERITAS, FACT czy Fermi-LAT. W projektach tych udział bierze również kilkudziesięciu polskich naukowców, którzy dzięki tej współpracy mają wspólne publikacje naukowe z zespołem IceCube i oczywiście tegorocznym noblistą."
