– Nie sądziłem, że zostanę wyróżniony Nagrodą Nobla, chociaż informacja o decyzji Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk sprawiła mi wielką przyjemność – powiedział po ogłoszeniu decyzji o przyznaniu mu nagrody prof. Francis Halzen. Dodał, że projekt budowy na Antarktydzie Obserwatorium Neutrin IceCube był szeroko krytykowany, uzyskał jednak wsparcie naukowców z ośrodków szwedzkich w Uppsali i Sztokholmie.
WIDEO…
Na pytanie, z czego jest najbardziej dumny, odpowiedział z pokorą, że po prostu miał szczęście. – Gdy zaczynałem projekt badania wysokoenergetycznych neutrin pochodzenia kosmicznego wielu sądziło, że to dobry pomysł, lecz niewielu ufało, że się uda. W tym zresztą ja. To była naprawdę długa podróż, lecz muszę podkreślić, że miałem wielkie szczęście do współpracowników i ich krytycznego sposobu patrzenia na projekt – dodał.
Czym są neutrina?
Czym są wysokoenergetyczne neutrina pochodzenia astrofizycznego? Zacznijmy od tego, czym po prostu są neutrina. Są jednymi z najlżejszych znanych cząstek elementarnych. Nie mają ładunku elektrycznego, a z materią oddziałują tylko poprzez oddziaływanie słabe i grawitację, ale ta w przypadku neutrin jest znikoma. Dlatego przenikają przez prawie wszystko: w każdej sekundzie przez ludzkie ciało przelatują biliony neutrin ze Słońca, a niemal żadne z nich nie wchodzi w żadną reakcję.
Wolfgang Pauli, laureat Nagrody Nobla z fizyki z 1945 roku, postulował istnienie neutrin już w 1930 roku, by dzięki nim uratować zasadę zachowania energii w rozpadzie beta. Jednak do pierwszej detekcji neutrin doszło dopiero w 1956 roku.
Istnieją trzy rodzaje, czyli zapachy: elektronowe, mionowe i taonowe, każdy z odpowiednią antycząstką. Neutrina powstają m.in. w reakcjach jądrowych w Słońcu, w wybuchach supernowych, w reaktorach jądrowych, w rozpadzie promieniotwórczym beta i przy zderzeniach promieni kosmicznych z atmosferą.
Bardzo rzadko zdarza się, by pojedyncze neutrino oddziaływało z jądrem atomowym, co pozwala wykryć je za pomocą odpowiednich detektorów, np. Super-Kamiokande w Japonii czy właśnie IceCube na Antarktydzie.
Kosmiczne akceleratory
Naukowcy od dawna wiedzą, że w kosmosie istnieją naturalne akceleratory, które wyrzucają cząstki o energiach ponad milion razy większych niż te osiągalne w ziemskich laboratoriach. Cząstki promieniowania kosmicznego, głównie protony, mają najwyższe energie spośród wszystkich dotychczas zaobserwowanych cząstek. Wiele kwestii dotyczących ich źródeł pozostaje jednak zagadką: czym są, gdzie się znajdują i jakie procesy zachodzą w ich wnętrzu?
Neutrina o ogromnych energiach powstają w tych samych miejscach we Wszechświecie co inne cząstki. Różnią się jednak tym, że docierają z odległych źródeł na Ziemię prawie bez utraty strumienia, a pola magnetyczne nie zakrzywiają ich toru. Dzięki temu niosą wiedzę o dalekim kosmosie, której nie da się uzyskać innymi metodami.
Francis Halzen zauważył, że do wykrywania tych cząstek można użyć lodu na Antarktydzie. Swoją koncepcję przedstawił w 1988 roku. Kiedy neutrino zderza się z jądrem atomu, powstają naładowane cząstki wtórne. Mogą one wytwarzać światło, które wychwytują czujniki zanurzone w przezroczystym lodzie.
Lodowe obserwatorium
Biegun Południowy ma kilka atutów: panuje tam spokój pod względem zakłóceń, a podłoże jest stabilne geologicznie, bez trzęsień ziemi. Pomysł Halzena szybko znalazł zwolenników wśród innych naukowców, a po kilku latach przetestowano pierwsze czujniki w lodzie. Jego wizja i kierowanie badaniami były kluczowe dla powstania Obserwatorium Neutrin IceCube.
IceCube zajmuje kilometr sześcienny lodu. Jego 5160 czujników, rozmieszczonych na głębokościach od 1450 do 2450 metrów, rejestruje światło powstające wskutek oddziaływań neutrin z lodem. Pozwala to określić ich energię i kierunek nadejścia. Układy DeepCore i IceTop rozszerzają możliwości badań. Budowę detektora ukończono w 2010 roku kosztem 279 mln dolarów.
Projektem kieruje Uniwersytet Wisconsin w Madison, a współpraca obejmuje ponad 40 instytucji. W 2013 roku zespół ogłosił odkrycie wysokoenergetycznych neutrin spoza Układu Słonecznego, otwierając nowy rozdział astronomii. IceCube pomaga badać gwałtowne zjawiska kosmiczne i poszukiwać źródeł promieniowania kosmicznego.
Od początku działania dzięki Obserwatorium IceCube wykryto kosmiczne neutrina o wysokich energiach i zidentyfikowano pierwsze ich źródła, m.in. blazar TXS 0506+056 i galaktykę NGC 1068, a także zarejestrowano neutrina z Drogi Mlecznej. Obserwatorium służy też do badania oscylacji neutrin i poszukiwania ciemnej materii, a jego rozbudowa (IceCube Upgrade, a w przyszłości IceCube-Gen2) ma jeszcze zwiększyć jego możliwości.
Nagroda Nobla dla prof. Francisa Halzena, pomysłodawcy IceCube i głównego badacza wysokoenergetycznych neutrin, zapewne przyczyni się do rozwoju tej dziedziny astronomii.
Już dziś poza IceCube działają dwa inne obserwatoria: KM3NeT na Morzu Śródziemnym (ok. 84 jednostek detekcyjnych w połowie 2026 roku, z rekordowym neutrinem o energii ok. 220 PeV zarejestrowanym w 2025 roku) oraz Baikal-GVD w Jeziorze Bajkał (ok. 0,7 km³, docelowo ok. 1 km³ do 2028 roku). Planowane lub proponowane są kolejne: P-ONE na Pacyfiku u wybrzeży Kanady, chiński TRIDENT na Morzu Południowochińskim oraz jeszcze większe HUNT i NEON; niestety terminy ich otwarcia zależą w dużej mierze od finansowania. Do wykrywania neutrin o najwyższych energiach rozwijane są też detekcja radiowa i obrazowanie pęków atmosferycznych.
Źródło: Nobel Prize
