Tegoroczną Nagrodę Nobla z fizyki otrzymał Francis Halzen z University of Wisconsin-Madison za stworzenie podstaw obserwatorium IceCube. Zatopione w antarktycznym lodzie detektory pozwalają wykrywać wysokoenergetyczne neutrina i szukać źródeł najbardziej gwałtownych zjawisk we Wszechświecie

IceCube jest jednym z najdziwniejszych teleskopów na świecie. Nie ma zwierciadeł ani ogromnej anteny skierowanej w niebo. Jego zasadniczą częścią jest kilometr sześcienny lodu pod powierzchnią Antarktydy, naszpikowany tysiącami czujników światła.

Żeby zrozumieć, po co budować taki instrument, trzeba zacząć od samego neutrina. To cząstka pozbawiona ładunku elektrycznego i mająca bardzo małą masę. Z materią oddziałuje tak słabo, że może przelecieć przez całą Ziemię, nie zderzając się po drodze z niczym. To właśnie czyni neutrina jednocześnie niezwykle trudnymi do wykrycia i bardzo cennymi dla astronomów.

Kosmos potrafi przyspieszać cząstki znacznie mocniej niż największe akceleratory zbudowane na Ziemi. Tak zwane promieniowanie kosmiczne tworzą głównie protony, czyli jądra atomów wodoru. Niektóre z nich mają energię nawet milion razy większą niż energia cząstek uzyskiwana w ziemskich laboratoriach. Od dawna pozostaje jednak pytanie: co właściwie rozpędza je do takich prędkości?

Śledzenie samych protonów nie daje prostej odpowiedzi. Mają one ładunek elektryczny, więc pola magnetyczne w przestrzeni kosmicznej zakrzywiają ich tor. Proton może dotrzeć do Ziemi z jednego kierunku, chociaż źródło, które go rozpędziło, znajduje się zupełnie gdzie indziej.

Z neutrinami jest inaczej. Nie mają ładunku elektrycznego, więc pola magnetyczne nie zmieniają ich kierunku. Jeśli wysokoenergetyczne neutrino dociera do Ziemi, jego tor może wskazywać miejsce, w którym powstało.

Neutrina mają jeszcze jedną zaletę. Przechodzą przez materię niemal bez przeszkód. Dzięki temu mogą przynosić informacje z miejsc, do których inne rodzaje promieniowania nie pozwalają nam zajrzeć. Problem polega na tym, że skoro neutrino prawie nigdy z niczym się nie zderza, niezwykle trudno je zauważyć.

Jak badać kosmos, którego nie widać?

Nowy instytut PAN – Od tajemnic niewidzialnego Wszechświata do nowych technologii

Francis Halzen zaczął zastanawiać się nad tym problemem w latach 80. Wiedział, że w rzadkich przypadkach neutrino zderza się z jądrem atomowym. Powstaje wtedy naładowana cząstka, która dalej porusza się mniej więcej w tym samym kierunku co neutrino. Jeśli taka cząstka przelatuje przez przezroczysty materiał, może wytworzyć krótki błysk niebieskiego światła. Zjawisko to można zarejestrować czułymi fotodetektorami. Na podstawie kierunku i charakteru błysku da się później odtworzyć informacje o cząstce, która go wywołała.

Już wcześniej fizycy próbowali wykorzystać do tego ogromne ilości wody. Halzen pomyślał jednak o czymś innym. Skoro potrzebna jest wielka, przezroczysta masa, można wykorzystać materiał, który już istnieje: lód Antarktydy.

W 1988 roku Halzen i fizyk John G. Learned przedstawili koncepcję obserwatorium neutrin zatopionego w lodzie bieguna południowego. Pomysł miał kilka zalet. Głęboko pod powierzchnią panuje całkowita ciemność, nie ma organizmów mogących zakłócać pomiary, a sam lód jest stabilny i zawiera bardzo mało substancji promieniotwórczych.

Była jednak zasadnicza niewiadoma: czy antarktyczny lód jest wystarczająco przezroczysty?

Pierwsze próby nie wyglądały dobrze. W górnych warstwach lodu znajdowało się wiele pęcherzyków powietrza. Rozpraszały światło tak mocno, że trudno było określić kierunek przelotu cząstek. Głębiej sytuacja okazała się zupełnie inna. Poniżej około 1400 metrów lód jest wyjątkowo czysty. Światło może w nim przebyć setki metrów, zanim zostanie pochłonięte.

W ten sposób powstał IceCube. Budowę zakończono w 2011 roku. Detektor obejmuje kilometr sześcienny antarktycznego lodu. W jego wnętrzu umieszczono 5160 czujników światła rozmieszczonych na 86 pionowych przewodach.

Czujniki znajdują się na głębokości od około 1450 do 2450 metrów. Gdy od czasu do czasu neutrino trafia w jądro atomu znajdującego się w lodzie, powstaje naładowana cząstka. Przez lód przebiega wtedy błysk światła, a fotodetektory rejestrują jego nadejście. Na podstawie różnic czasu między sygnałami z wielu czujników można odtworzyć kierunek lotu cząstki. W ten sposób badacze próbują ustalić, skąd przybyło neutrino.

W 2013 roku zespół IceCube ogłosił pierwsze mocne dowody na wykrycie wysokoenergetycznych neutrin pochodzących z kosmosu. Kilka lat później zebrano już tyle danych, że ich pozaziemskie pochodzenie nie budziło wątpliwości. Obserwatorium, które przez lata istniało przede wszystkim jako ambitny eksperyment fizyczny, stało się nowym rodzajem teleskopu. IceCube pozwolił szukać neutrin o ogromnych energiach i używać ich do badania najbardziej gwałtownych procesów zachodzących daleko poza Układem Słonecznym.

Inne okno na Wszechświat: fale grawitacyjne

Mistrzowie PAN. Prof. Trautman i dowód, który wyprzedził eksperyment

„Francis Halzen przewodził międzynarodowemu zespołowi badaczy i inżynierów, który dał nam fantastyczny instrument. Jego wytrwałość i naukowa wizja utorowały drogę nowemu rodzajowi astronomii” – powiedział Mark Pearce, przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie fizyki.

Sam Halzen podczas ogłoszenia nagrody zwracał uwagę, że najważniejsze odkrycia mogą dopiero nadejść. Gdy zapytano go, czego jeszcze nauczymy się dzięki astronomii neutrin, odpowiedział, że właśnie niemożność udzielenia dziś jednoznacznej odpowiedzi jest najbardziej ekscytująca.

IceCube nadal zbiera dane, a na biegunie południowym planowana jest jego znacznie większa wersja. IceCube-Gen2 ma wykorzystywać około ośmiu kilometrów sześciennych lodu. Im więcej neutrin uda się zarejestrować, tym dokładniej będzie można wskazywać ich źródła i sprawdzać, jakie kosmiczne „maszyny” potrafią rozpędzać cząstki do energii nieosiągalnych na Ziemi.