Nagrodę Nobla z fizyki w 2026 r. otrzymał Francis Halzen z University of Wisconsin–Madison w USA. 82-letni, belgijsko-amerykański fizyk cząstek elementarnych, został wyróżniony za pracę nad stworzeniem obserwatorium, które będzie wykrywać niektóre z najbardziej nieuchwytnych cząstek we wszechświecie, neutrina wysokoenergetyczne, oraz za ustalenie, w jaki sposób powstają.
Królewska Szwedzka Akademia Nauk przyznała Halzenowi nagrodę za „decydujący wkład w obserwatorium neutrin IceCube oraz odkrycie wysokoenergetycznych neutrin pochodzenia astrofizycznego”. Tegoroczny Nobel z fizyki sposób pokazuje, iż do obserwowania kosmosu nie zawsze potrzebujemy coraz większego teleskopu i lotów na orbitę. Czasami zamiast tego trzeba zejść 2,5 km pod powierzchnię lodu.
Neutrina są wszędzie, ale nie dają się łatwo poznać. Nie mają ładunku elektrycznego i mają bardzo małą masę. Przechodzą przez Ziemię i nasze ciała, niezauważone. Przez ciało człowieka przechodzi średni około 100 bilionów neutrin na sekundę (!). W każdej sekundzie przez każdy centymetr kwadratowy Twojego ciała (czyli powierzchnię wielkości paznokcia) przelatuje około 60–100 miliardów neutrin.
Ogromna większość tych cząstek pochodzi z reakcji termojądrowych zachodzących wewnątrz Słońca. Przelatują one przez nas bez przerwy, zarówno w dzień, jak i w nocy (w nocy przechodzą najpierw przez całą planetę Ziemia, a potem wlatują w nas od dołu).
Jak w ogóle obserwować i badać takie duchy? Naukowcy mają swoje sposoby. Bardzo rzadko pojedyncze neutrino wchodzi w interakcję z jądrem atomowym, co umożliwia jego odkrycie osobie dysponującej odpowiednim sprzętem.
Polowanie na biegunie
Pomysł Halzena był prosty tylko na papierze. Skoro neutrina niemal nie reagują z materią, trzeba zbudować detektor tak ogromny, aby choć część z nich miała szansę w końcu zderzyć się z atomem.
Tak powstał IceCube Neutrino Observatory, niezwykłe obserwatorium znajdujące się w lodzie w pobliżu amerykańskiej stacji Amundsen-Scott na biegunie południowym. Historia Nobla dla Halzena jest przy tym historią niezwykłej cierpliwości. Fizyk po raz pierwszy przedstawił pomysł wykorzystania lodu na biegunie południowym do wykrywania neutrin już w 1988 r.
Kiedy neutrino zderza się z jądrem atomowym, wytwarza błysk światła, który może być śledzony przez czujniki w przejrzystym lodzie. Lód na biegunie południowym ma wiele zalet, ponieważ jest wolny od różnego rodzaju zakłóceń, a obszar ten jest geologicznie stabilny i nie występują na nim trzęsienia ziemi.
Halzen i jego pomysł gwałtownie zyskali poparcie innych badaczy i zaledwie kilka lat później przeprowadzono wstępne testy z czujnikami w lodzie.
Francis HalzenKosmiczne neutrina o ekstremalnie wysokich energiach występują bardzo rzadko, dlatego do zaobserwowania odpowiedniej liczby zderzeń potrzebna jest absurdalnie wręcz ogromna objętość lodu.
IceCube obejmuje cały kilometr sześcienny i został ukończony w 2011 r. Naukowcy niedługo odkryli pierwsze neutrina wysokoenergetyczne, a kilka lat później mogli opublikować swoje odkrycie neutrin, które muszą pochodzić z miejsc położonych daleko poza naszym Układem Słonecznym. Poszukiwania źródeł neutrin we Wszechświecie mogły rozpocząć się na dobre.
Francis Halzen kierował międzynarodowym zespołem badaczy i inżynierów, którzy dostarczyli nam fantastyczny instrument. Jego wytrwałość i naukowa wizja utorowały drogę nowemu rodzajowi astronomii – mówi Mark Pearce, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie fizyki.
Oddziaływania neutrin stale rejestrowane przez IceCube dostarczą naukowcom nowej wiedzy na temat gwałtownych zjawisk, w których mogą powstawać neutrina wysokoenergetyczne, a choćby mogą pozwolić na odkrycie nieznanych dotąd zjawisk kosmicznych.
Dlaczego naukowcy tak bardzo chcą złapać neutrina?
Neutrina mają cechę, która czyni je wyjątkowymi. Ponieważ nie mają ładunku elektrycznego, nie są odchylane przez pola magnetyczne tak jak naładowane cząstki promieniowania kosmicznego.
Jeżeli więc neutrino wyruszy z odległego obiektu i przez miliardy lat podróżuje przez Wszechświat, jego trajektoria pozostaje niezwykle cenna dla astronomów. Kierunek, z którego dociera do Ziemi, może wskazywać na miejsce, w którym zostało wyprodukowane.
Światło ma pod tym względem znacznie trudniejsze zadanie. Fale elektromagnetyczne mogą być pochłaniane, rozpraszane albo zakrzywiane przez różne obiekty i pola. Promieniowanie kosmiczne złożone z naładowanych cząstek może z kolei zmieniać kierunek podczas podróży przez galaktyczne pola magnetyczne.
Neutrino jest pod tym względem niemal idealnym posłańcem. Przelatuje przez kosmos, przez przestrzeń międzygwiazdową, a później przez Ziemię i trafia do detektora. jeżeli uda się je zarejestrować, może opowiedzieć naukowcom, co działo się w miejscu, którego nie da się zobaczyć w tradycyjny sposób.
To ważne, bo Wszechświat potrafi przyspieszać cząstki do energii, których ludzie nie są w stanie osiągnąć choćby w najbardziej zaawansowanych akceleratorach.
Naturalne kosmiczne akceleratory znajdują się między innymi w pobliżu eksplodujących gwiazd, czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Niektóre z tych procesów potrafią rozpędzać cząstki do energii choćby milion razy większych niż te osiągalne w ziemskich laboratoriach.
Naukowcy od dawna wiedzieli, iż takie obiekty istnieją. Nie znali jednak dokładnie mechanizmów odpowiedzialnych za produkowanie najbardziej energetycznych cząstek. Wysokoenergetyczne neutrina dają im nowy sposób zaglądania do tych ekstremalnych środowisk.
Mogą pochodzić między innymi z obszarów związanych z wybuchami gwiazd, rozbłyskami gamma czy aktywnością czarnych dziur. IceCube pokazał również, iż część wysokoenergetycznych neutrin dociera do nas z miejsc znajdujących się poza Drogą Mleczną.
Główna ilustracja: IceCube Neutrino Observatory
