Tegorocznym laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki został Francis Halzen. Kapituła wyróżniła go za kluczowy wkład w rozwój Obserwatorium Neutrinowego IceCube oraz odkrycie wysokoenergetycznych neutrin pochodzenia astrofizycznego.
Pochodzący z Belgii Halzen dostrzegł, że lód na biegunie południowym można wykorzystać do śledzenia cząstek zwanych neutrinami. Jego prace pozwoliły zaobserwować pierwsze wysokoenergetyczne neutrino z nieznanych źródeł pozagalaktycznych i dały podwaliny dla astronomii cząstek.
Neutrina
Neutrina (obok fotonów) są najbardziej rozpowszechnionymi cząstkami we Wszechświecie. Jednak nie wiadomo o nich zbyt wiele, bo są najbardziej nieuchwytnymi spośród znanych nam obecnie cząstek elementarnych. Do tego bardzo słabo oddziałują z materią. Na tyle słabo, że często określa się je mianem „cząstek-duchów”.
Neutrina mają niebywałą zdolność przenikania. Chociażby planeta taka jak Ziemia nie stanowi dla nich niemal żadnej przeszkody. Uczeni szacują, że przez jeden centymetr kwadratowy powierzchni naszej planety zwróconej ku Słońcu co sekundę przelatuje 65 miliardów neutrin. Cząstki te w ogromnej obfitości i w każdej sekundzie przeszywają nasze ciała, a my zwykle nie mamy o tym pojęcia.
Dzięki pracom Halzena powstał detektor IceCube, zajmujący objętość jednego kilometra sześciennego, który już po dwóch latach pracy pozwolił na obserwację pierwszego wysokoenergetycznego neutrino, pochodzące z nieznanych źródeł pozagalaktycznych.
IceCube
W bardzo rzadkich przypadkach neutrino oddziałuje z otoczeniem. Bywa, że czasami wchodzi w interakcje z cząsteczkami wody, tworząc jako produkty uboczne cząstki zwane mionami, które można zaobserwować jako błyski światła wewnątrz czujników detektora. Na podstawie wzorców, które tworzą te błyski, naukowcy mogą zrekonstruować energię, a czasem i źródła neutrin.
IceCube zlokalizowany jest w okolicy Bieguna Południowego. Detektor ten, prowadzony przez 49 instytucji naukowych z 14 krajów, za pomocą tysięcy fotopowielaczy monitoruje kilometr sześcienny lodu znajdujący się głęboko pod powierzchnią.
Fotopowielacze tropią subtelne błyski świetlne, inicjowane przez interakcję cząstek tworzących lód z neutrinami. Gigantyczny detektor składa się z ponad pięciu tysięcy takich czujników optycznych zawieszonych na 86 sznurkach, które zwisają w otworach wywierconych w lodzie Antarktydy. Głębokość otworów dochodzi nawet do 2,5 km.
Obserwacje nieuchwytnych cząstek
– Jest to wyjątkowa Nagroda Nobla, dlatego, że jedna osoba otrzymała ją za gigantyczny projekt naukowy związany z wykrywaniem neutrin spoza Układu Słonecznego. Jest to nagroda czysto naukowa. Przyznana za zbudowanie urządzenia i dokonanie obserwacji neutrin, czyli najbardziej nieuchwytnych cząstek, jakie można sobie wyobrazić. Cząstek, które można wykryć jedynie z wykorzystaniem gigantycznej ilości lodu, którego na szczęście mamy pod dostatkiem na Antarktydzie. Dzięki temu zbudowany tam detektor jest w stanie wykrywać cząstki o bardzo wysokich energiach, pochodzące z innych galaktyk. Większość neutrin, które rejestrowaliśmy przed zbudowaniem tego detektora, pochodziła albo z naszych reaktorów jądrowych albo ze Słońca. A ten detektor w 2013 roku, jeśli dobrze pamiętam, po raz pierwszy zarejestrował cząstki elementarne, pochodzące spoza naszej galaktyki – powiedział prof. dr hab. Rafał Demkowicz-Dobrzański z Instytutu Fizyki Teoretycznej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.
– Warto podkreślić, jak to wszystko – w kontekście wyróżnień Komitetu Noblowskiego – ładnie się układa w czasie. Była mowa o teleskopach, czyli obserwowaniu Wszechświata w świetle widzialnym, później mieliśmy radioteleskopy, a kilka lat temu – w 2017 roku – była Nagroda Nobla z fizyki za fale grawitacyjne, czyli za kolejne źródło informacji o Wszechświecie w postaci fal grawitacyjnych. A teraz mamy kolejne źródło informacji o Wszechświecie w postaci neutrin, więc pozostaje tylko czerpać z tej informacji jak najwięcej – dodał naukowiec.
– Takich detektorów neutrin w przeszłości było konstruowanych wiele. Część bazowała na procesach, które zachodzą w jądrach atomowych, np. po uderzeniu neutrina z jednego izotopu tworzony był inny izotop. Takie zjawiska zachodzą bardzo rzadko i jednocześnie tego typu detektory nie mogły dostarczać informacji na bieżąco. Z kolei ten detektor wykorzystuje tak zwane promieniowanie Czerenkowa, czyli światło, które jest emitowane przez cząstki poruszające się szybciej niż światło w ośrodku. Wszyscy wiemy, że nic się nie może poruszać szybciej niż światło w próżni, ale nie ma powodu, żeby coś się nie poruszało szybciej niż np. światło w wodzie. Gdybyśmy zajrzeli do chłodzonego wodą reaktora jądrowego, to zobaczylibyśmy niebieskawą poświatę i to jest właśnie to promieniowanie Czerenkowa. Jest ono podobne do gromu dźwiękowego wytwarzanego przez obiekt poruszający się szybciej niż prędkość dźwięku – i nazywamy je analogiem świetlnym. Skonstruowano detektory mogące pomieścić bardzo dużą ilość czegoś, co musiało być jednocześnie przezroczyste i tanie. Dlatego wypełniono je właśnie wodą. Kiedy neutrino zareagowało z którymś z atomów wody, wówczas powstawała naładowana cząstka. Ta bardzo szybko się poruszała i wyświecała przed sobą możliwy do zarejestrowana stożek świetlny. Pomysł był taki, by konstruować coraz większe detektory wypełnione wodą i to się działo. Następnie pojawiła się koncepcja, by wykorzystać wodę nie z oceanu, która jest często zanieczyszczona różnymi obiektami, ale pójść na Antarktydę i skorzystać z lodu antarktycznego jako ośrodka, który będzie nam neutrina wykrywał. I tak właśnie się stało – wyjaśnił dr Grzegorz Łach z Instytutu Fizyki Teoretycznej Wydziału Fizyki UW.
– Gdy obserwujemy kosmos, to myślimy o teleskopach, czyli świetle w promieniowaniu elektromagnetycznym, które jednak, przechodząc przez Wszechświat, jest pochłaniane. Natomiast neutrina są cząstkami bardzo słabo oddziałującymi z materią. Dzięki temu eksperymentowi możemy oglądać, jak wygląda Wszechświat w dużo większych odległościach, bez względu na to, że światło widzialne czy inne zakresy elektromagnetyczne są pochłaniane. Ten eksperyment pozwolił nam na oglądanie dużo głębszego Wszechświata – skomentował dr hab. Maciej Molas, prof. ucz. z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Wydziału Fizyki UW.
Źródło: Dziennik Naukowy, Uniwersytet Warszawski, fot. Krystian Szczęsny/ CWiD UW
