Nowy instytut PAN – Od tajemnic niewidzialnego Wszechświata do nowych technologii

Większość Wszechświata pozostaje niewidzialna. Około 95 proc. jego zawartości stanowią ciemna energia i ciemna materia, których natury wciąż nie rozumiemy. Nowy instytut PAN ma pomóc w badaniu tej ukrytej części kosmosu.

Według obecnego modelu kosmologicznego około 70 proc. Wszechświata stanowi ciemna energia, odpowiedzialna za przyspieszające rozszerzanie się kosmosu. Kolejne 25 proc. to ciemna materia, która nie emituje światła, lecz ujawnia swoją obecność poprzez oddziaływanie grawitacyjne. Zwykła materia – ta, z której zbudowane są planety, gwiazdy i ludzie – to zaledwie kilka procent kosmicznej całości.

 – Przypuszczamy, że ciemna materia jest jakąś nową cząstką elementarną. Wiemy, że musi mieć masę, bo widzimy jej wpływ grawitacyjny. I musi być stabilna, bo inaczej dawno by się rozpadła. A ponadto musi niezwykle słabo oddziaływać ze zwykłą materią, bo inaczej już dawno byłaby odkryta – wyjaśnia prof. Leszek Roszkowski, dyrektor nowego Międzynarodowego Instytutu Astrofizyki Cząstek PAN, potocznie zwanego Astrocent. 

Nowi „posłańcy” z kosmosu

By badać tak trudne do uchwycenia zjawiska, astronomowie muszą sięgać po coraz bardziej wyrafinowane metody obserwacji. Od zarania dziejów ludzie poznawali kosmos dzięki światłu docierającego do nas z nieba. Dopiero na początku XX w. Victor Hess odkrył  tzw. promieniowanie kosmiczne, które nie jest widoczne gołym okiem i składa się z innych cząstek niż fotony. Później ludzkość poznała jeszcze inne nowe ,,okna” na Wszechświat, np. neutrina, a najnowszym oknem na Wszechświat stały się fale grawitacyjne, których pierwszą bezpośrednią detekcję ogłoszono w 2015 r. To właśnie takie sygnały bada astrofizyka cząstek – dziedzina na styku astronomii, kosmologii i fizyki cząstek elementarnych. Jej celem jest wykrywanie niezwykle rzadkich i słabych sygnałów z kosmosu oraz wykorzystanie ich do poznania procesów zachodzących we Wszechświecie od pierwszych chwil po Wielkim Wybuchu.

Choć ta dziedzina rozwija się bardzo szybko, w Polsce była dotąd rozproszona między niewielkie zespoły badawcze. –  Małe grupy mogą robić świetną naukę, ale rzadko są równorzędnym partnerem w największych projektach międzynarodowych – mówi prof. Roszkowski, dodając: – Jeśli chcemy uzyskać więcej wyników, potrzebujemy krytycznej masy naukowców i odpowiednich zasobów.

Od projektu AstroCeNT do nowego instytutu

Nowy instytut ma wypełnić tę lukę w polskiej nauce. Jego początkiem był projekt AstroCeNT – Centrum Naukowo-Technologiczne Astrofizyki Cząstek, uruchomiony w 2018 roku w Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika PAN dzięki grantowi Międzynarodowa Agenda Badawcza z Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. W ciągu kilku lat powstało sześć grup badawczych, które dołączyły do największych międzynarodowych eksperymentów w tej dziedzinie. Należą do nich m.in. projekty DarkSide-20k i DEAP-3600 poszukujące cząstek ciemnej materii, współpraca Virgo badająca fale grawitacyjne oraz eksperymenty neutrinowe KM3NeT i Hyper-Kamiokande.

W tym czasie AstroCeNT zatrudniał prawie 70 badaczy z 19 krajów i opublikował około 150 artykułów naukowych w czasopismach indeksowanych w bazie JCR. Zespół stworzył również własną infrastrukturę badawczą, obejmującą m.in. laboratorium elektroniki, systemy pomiarów sejsmicznych oraz zaplecze clean room do pracy nad detektorami.

Kolejnym krokiem było przekształcenie centrum w pełnoprawny instytut PAN. Umożliwił to grant w programie Teaming for Excellence finansowany w ramach Horyzont Europa. Projekt dysponuje budżetem 30 mln euro, z czego połowę zapewnia Komisja Europejska, a resztę finansowanie krajowe. Dzięki temu w Warszawie ma powstać międzynarodowy ośrodek zatrudniający ponad stu badaczy, w tym obok naukowców, także specjalistów zajmujących się m.in. elektroniką, analizą danych i transferem technologii.

Technologie z kosmosu

Astrofizyka cząstek wymaga niezwykle czułych instrumentów. Poszukiwanie cząstek ciemnej materii czy detekcja fal grawitacyjnych polegają na rejestrowaniu sygnałów tak słabych, że mogą zostać zagłuszone nawet przez drgania Ziemi czy minimalne szumy elektroniczne. Dlatego rozwój tej dziedziny jest nierozerwalnie związany z tworzeniem nowych technologii.

Jednym z przykładów jest eksperyment DarkSide-20k, wykorzystujący ogromny detektor wypełniony ciekłym argonem. Gaz ten w stanie ciekłym może rejestrować niezwykle rzadkie lub słabe oddziaływania cząstekciemnej materii. Budowa takiego detektora wymaga jednak niezwykle czystego argonu oraz ultraczułej elektroniki zdolnej do wykrywania minimalnych impulsów świetlnych.

Technologia ta może znaleźć zastosowanie także poza fizyką kosmiczną. Zespół AstroCeNT bada możliwość wykorzystania ich w medycznych skanerach PET, stosowanych w diagnostyce nowotworów. Detektory oparte na ciekłym argonie mogłyby rejestrować sygnał z dużo większą czułością niż obecne systemy, jednocześnie zmniejszając dawkę promieniowania. – To oznaczałoby dokładniejsze obrazy i możliwość badania pacjentów, których dziś często się nie bada, na przykład kobiet w ciąży albo bardzo małych dzieci – wyjaśnia prof. Roszkowski.

Innym kierunkiem badań są materiały optyczne opracowywane pierwotnie dla detektorów cząstek. W eksperymentach z ciekłym argonem powstaje ultrafioletowe światło scyntylacyjne, którego standardowe czujniki nie rejestrują zbyt efektywnie. Naukowcy opracowali więc specjalne polimery zmieniające długość fali światła, aby można je było łatwiej wykrywać. Te same materiały mogą znaleźć zastosowanie w fotowoltaice, zwiększając wydajność ogniw słonecznych poprzez lepsze wykorzystanie widma słonecznego.

Sensory dla Ziemi

Trzecim obszarem technologii rozwijanych w AstroCeNT są czujniki środowiskowe. W obserwatoriach fal grawitacyjnych kluczowe jest oddzielenie sygnału kosmicznego od zakłóceń pochodzących z Ziemi, takich jak drgania gruntu, infradźwięki czy ruchy mas powietrza. Aby to osiągnąć, naukowcy rozwijają bardzo czułe sensory sejsmiczne i infradźwiękowe oraz systemy wykorzystujące światłowody jako rozproszone czujniki akustyczne.

Takie technologie mogą służyć m.in. do monitorowania infrastruktury krytycznej, wczesnego wykrywania osuwisk czy obserwacji zmian środowiskowych. Mogą też znaleźć zastosowanie w systemach bezpieczeństwa, ponieważ są odporne na warunki pogodowe i mogą działać autonomicznie przez długi czas.

Dla Roszkowskiego to naturalna konsekwencja badań podstawowych: – W naszej dziedzinie odkrycia są uzależnione od czułości instrumentów. Najpierw powstaje nowatorski detektor, a dopiero potem możliwy staje się przełom naukowy. Z kolei każda nowa generacja eksperymentów wymusza innowacje w elektronice, fotodetekcji, kriogenice czy analizie danych”.

Dlatego nowy instytut ma być jednocześnie ośrodkiem fascynujących badań fundamentalnych i miejscem rozwoju technologii. Naukowcy będą pracować razem z inżynierami, specjalistami od elektroniki i analizy danych, a wyniki badań mają być nie tylko publikowane w czasopismach naukowych, lecz także chronione patentami i rozwijane we współpracy z przemysłem.

Stawką pozostaje jednak przede wszystkim nauka. Mimo ogromnego postępu w kosmologii wciąż nie wiemy, czym naprawdę jest ciemna materia ani jaka jest natura ciemnej energii. Pierwsze detekcje neutrin czy fal grawitacyjnych pokazały, że odkrycie nowego zjawiska jest dopiero początkiem długiej drogi do jego zrozumienia.

• aktualności
• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi
• Polska Akademia Nauk