Nagroda Nobla 2026 z fizyki: Francis Halzen
– To wyjątkowa Nagroda Nobla, ponieważ jedna osoba otrzymała ją za gigantyczny projekt. I 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 – mówi prof. dr hab. Rafał Demkowicz-Dobrzański z Instytutu Fizyki Teoretycznej Wydziału Fizyki UW. – Warto podkreślić, jak to wszystko – w kontekście wyróżnień Komitetu Noblowskiego – ładnie się układa w czasie. Teleskopy pozwoliły nam na obserwowanie Wszechświata w świetle widzialnym. Później mieliśmy radioteleskopy, a kilka lat temu – w 2017 r. – była Nagroda z fizyki za fale grawitacyjne. A teraz mamy kolejne źródło informacji o Wszechświecie. Pozostaje tylko czerpać z niego jak najwięcej.
Żonglujący neutronami
Świat, jaki znamy zbudowany jest z atomów, a atomy – z cząstek. Jądro atomu stanowią protony i neutrony, wokół jądra poruszają się elektrony. Protony i neutrony zbudowane są z kwarków, a kwarki z kolei trzymają się razem dzięki gluonom. I tak dalej i tak dalej. Drzewem genealogicznym znanych nam cząstek jest tzw. Model Standardowy. Cząstki najbardziej fundamentalne, których nie da się już „rozdzielić” na mniejsze, nazywamy elementarnymi. Kwarki i elektrony łatwo sobie wyobrazić, bo stanowią budulec znanej nam materii, ale jest też mnóstwo cząstek, które nie są „składnikiem”, jednak biorą istotny udział w różnych procesach fizycznych. Takie niuanse fizyki subatomowej trudniej wytłumaczyć, ale nie umniejsza to ich znaczenia.
W roku 1930 Wolfgang Pauli (autor m.in. niezwykle ważnej reguły zwanej zakazem Pauliego) postulował istnienie nowej cząstki elementarnej, która była potrzebna, aby wyjaśnić proces rozpadu promieniotwórczego beta-minus. Fizycy zauważyli z niepokojem, że podziałowi neutronu z jądra atomowego na proton i elektron towarzyszy ciągłe widmo energetyczne nieznanego pochodzenia.
Rozwiązanie tej trudności zaproponował Wolfgang Pauli w słynnym liście z grudnia 1930 r., adresowanym do „Drogich Radioaktywnych Pań i Panów” zebranych na spotkaniu w Tybindze. Pisał w nim: „Wpadłem na desperacki pomysł uratowania twierdzenia o statystykach oraz prawa zachowania energii, a mianowicie istnienia w jądrach cząstek elektrycznie obojętnych, które proponuję nazwać neutronami”. Nowe cząstki miały być nie cięższe od elektronu. Pauli początkowo zakładał, że ta hipotetyczna cząstka jest związana z jądrem. Późniejsza teoria Fermiego opisała ją jako emitowaną w procesie rozpadu beta. Dwa lata później James Chadwick odkrył prawdziwe cząstki stanowiące budulec jądra, mające podobną masę jak protony i obojętny ładunek elektryczny. Nazwano je neutronami, a hipotetyczne cząstki Pauliego przemianowano na neutrina, czyli po włosku mały neutron. Rozpadom beta-plus miałoby więc towarzyszyć neutrino, a rozpadom beta-minus antyneutrino.
Enrico Fermi (on zaproponował nową nazwę) policzył tzw. przekrój czynny dla emisji antyneutrina – im przekrój jest większy, tym więcej antyneutrin można by było w danych warunkach zaobserwować. Policzony przekrój czynny był tak mały, że neutrino o typowej dla rozpadów jądrowych energii 2,5 MeV miało przed oddziaływaniem przelecieć średnio 2,5×1020 cm wody – to odległość porównywalna z grubością dysku Galaktyki. Wobec tego wielu fizyków uważało, że oddziaływań neutrin nigdy nie uda się zaobserwować. Pauli wręcz założył się o skrzynkę szampana, że nikt nigdy tego nie dokona. Czy dotrzymał słowa, kiedy w 1956 r. Clyde Cowan i Frederick Reines przeprowadzili eksperyment potwierdzający istnienie neutrin? Nie wiadomo.
Marzący o przechwyceniu
W każdej sekundzie przez każdy centymetr kwadratowy naszego ciała przechodzi ok. 65 mld neutrin pochodzących ze Słońca, nie wywołując żadnej fizycznej reakcji. Ich badanie do trywialnych więc nie należy – obojętny ładunek elektryczny, prawie zerowa masa. To frustrujące, ponieważ neutrina potencjalnie miałyby nam wiele do powiedzenia. Ich nieśmiałość – przyczyna naszych problemów z ich detekcją – jest jednocześnie zaletą: neutrina powszechnie występują w kosmosie, ponieważ są emitowane choćby przez gwiazdy. A ponieważ tak słabo reagują z materią, mogą dotrzeć do nas z najdalszych zakątków Wszechświata i dać nam niezakłócony wgląd w gęste źródła astronomiczne. Inne cząstki lub promieniowanie elektromagnetyczne są pochłaniane, rozpraszane albo reagują z napotkaną materią. Neutrina mogą wydostawać się z bardzo gęstych środowisk i przemierzać ogromne odległości bez niebezpieczeństwa „połknięcia” czy znaczącego odchylenia od pierwotnego kierunku.
– Gdy obserwujemy kosmos, to myślimy o teleskopach, czyli świetle w promieniowaniu elektromagnetycznym, które jednak, przechodząc przez wszechświat, jest pochłaniane – mówi dr hab. Maciej Molas, prof. ucz., Instytut Fizyki Doświadczalnej, Wydział Fizyki UW. – Neutrina są zaś cząstkami bardzo słabo oddziałującymi z materią. Dzięki nim możemy oglądać, jak wygląda Wszechświat w dużo większych odległościach, bez względu na to, że światło widzialne czy inne zakresy elektromagnetyczne są pochłaniane. Pozwalają nam na oglądanie dużo głębszego Wszechświata.
Dlatego badania neutrin nie raz już były nagradzane Nagrodą Nobla. Uhonorowano nie tylko ich odkrycie, ale również zarejestrowanie tych pochodzących z kosmosu: ze Słońca oraz z supernowej odległej o 160 tys. lat świetlnych (Raymond Davis Jr., Masatoshi Koshiba, 2002 r.). Inni fizycy wykazali, że istnieją 3 „gatunki” neutrin oraz że neutrino może oscylować – zmieniać swój gatunek. Zmienna natura neutrin została uhonorowana Nagrodą Nobla z fizyki w 2015 r. – otrzymali ją Takaaki Kajita i Arthur B. McDonald.
Badania neutrin kosmicznych stało się więc bardzo ciekawym wyzwaniem dla fizyków. Chodziło wszak o przechwycenie cząstek, które pokonały beztrosko setki tysięcy lat świetlnych! Jak tego dokonać? Istnieje kilka pomysłów i kilka projektów badawczych, które temu właśnie są poświęcone. KM3NeT na Morzu Śródziemnym, o którym pisaliśmy w ubiegłym roku oraz P-ONE u wybrzeży Kanady (w obydwu biorą udział badacze z Polski). A także IceCube na Antarktydzie – i właśnie z nim związany jest tegoroczny Noblista.
Dziękujący za Antarktydę
Francis Halzen dorastał w Belgii. Obserwował postęp w fizyce cząstek subatomowych w latach 60. i w końcu zainteresował się tą dziedziną. Na początku zajmował się promieniowaniem kosmicznym. Podobnie jak inni naukowcy je badający, był zafascynowany tym, jak ogromne energie wykazują cząstki przybywające z kosmosu – znacznie większe niż to, co ludzie osiągali w akceleratorach. Wszyscy chcieli odkryć, jakie procesy za tym stoją. Wkrótce zrozumieli, że wysokoenergetycznym protonom, które były rejestrowane stosunkowo łatwo, powinny towarzyszyć również wysokoenergetyczne neutrina. Wiedzieli też, że woda powinna być dobrym ośrodkiem do wykrywania śladów w tych rzadkich przypadkach, gdy neutrina jednak wywołują jakąś reakcję.
Kiedy oddziałują z jądrem atomowym, może powstać naładowana cząstka, np. mion. Przy wysokich energiach porusza się ona w przybliżeniu w kierunku, z którego nadleciało neutrino, a podczas przejścia przez lód emituje tzw. promieniowanie Czerenkowa. Przy odpowiednio czułym sprzęcie można by wykrywać takie zdarzenia, poprzez jego detekcję. Tyle że do tego konieczne jest naprawdę dużo zamarzniętej wody.
W latach 80. Sowieci mieli pomysł, aby poszukiwać neutrin w lodzie Antarktydy za pomocą radia. Chodziło o to, że kiedy neutrino zderza się z jądrem atomowym w lodzie, generuje impuls elektryczny, który z kolei generuje falę radiową. Halzen dowiedział się o tym pomyśle i go rozwinął. W 1988 r. w Polsce odbyła się konferencja, na której Francis Halzen i jego współpracownik John G. Learned przedstawili koncepcję obserwatorium neutrinowego na biegunie południowym.
– Można było konstruować coraz większe detektory wypełnione wodą i to się działo, ale można też było skorzystać z naturalnych rezerwuarów, gdzie wody już było bardzo dużo – mówi dr Grzegorz Łach, z Instytutu Fizyki Teoretycznej Wydziału Fizyki UW. – Raczej nie z oceanu, bo tam różne rzeczy pływają. Idea była taka, żeby umieścić detektory neutrin w lodzie antarktycznym. I to zostało zrobione. W porównaniu do wykrywaczy neutrin umieszczanych pod wodą, lodowe ma kilka punktów przewagi. Pod pokrywą lodową jest jeszcze ciemniej niż na dnie oceanu lub jeziora, przepływająca woda nie powoduje zakłóceń, nie ma ruchów tektonicznych ani wahań temperatury, nie ma też organizmów żywych.
W kolejnych latach projekt Halzena ściągał uwagę naukowców – chcieli pomóc rozwinąć tę koncepcję. Fizycy współpracowali z glacjologami, aby wywiercić w lodzie dziury o głębokości 1–2 km, w których można było umieścić detektory. W nich pod koniec 1993 r., znalazły się moduły optyczne pierwszego obserwatorium neutrin na Antarktydzie – wtedy zwanego AMANDA. Budowa trwała do 2000 r., ale założenia okazały się zbyt optymistyczne. Detektory pokrywały zbyt małą objętość lodu, aby w sposób efektywny wykrywać wysokoenergetyczne neutrina.
I dlatego właśnie rozpoczęto budowę IceCube. Ono już dwa lata później obserwatorium dostarczyło pierwszego silnego dowodu na istnienie wysokoenergetycznego strumienia neutrin astrofizycznych.
– To jest 1 km sześc. lodu, a w nim 5160 fotodetektorów – mówi prof. dr hab. Dominika Zgid z Instytutu Fizyki Teoretycznej Wydziału Fizyki UW. – One wykrywają promieniowanie Czerenkowa, więc możemy zobaczyć, ile neutrin przychodzi np. z czarnych dziur.
– IceCube po raz pierwszy zarejestrował cząstki elementarne pochodzące spoza naszej galaktyki – dodaje prof. Demkowicz-Dobrzański.
Francis Halzen jest osobą, bez której to obserwatorium by nie powstało. I pozostaje jego główną siłą napędową.
Polujący na zdarzenia
Jest jeszcze jeden ważny aspekt tej nagrody. W komunikacie Komitetu Noblowskiego czytamy, że przyznano ją za „decydujący wkład w działalność Obserwatorium Neutrinowego IceCube”, ale też „za odkrycie wysokoenergetycznych neutrin astrofizycznych”. To była właśnie ta najbardziej kusząca rodzina neutrin, na którą polowali fizycy. Chcieli odkryć cząstki o energiach co najmniej kilku teraelektronowoltów, które pochodziłyby z najbardziej energetycznych obiektów we Wszechświecie, aby się czegoś o nich dowiedzieć. A neutrina, które wykrył IceCube, zaliczały się dokładnie do tej grupy – ich zakres energetyczny sięgał petaelektronowoltów (PeV, 10¹⁵ eV). Wykazano więc, że projekt Halzena naprawdę jest w stanie zarejestrować te najbardziej zagadkowe cząstki kosmicznego promieniowania! Co więcej, w przeciwieństwie do innych detekcji, te ekstremalnie energetyczne neutrina nie tworzyły wówczas skupienia wskazującego na pojedyncze źródło. Wskazywały raczej na istnienie rozproszonego, astrofizycznego strumienia neutrin docierających z różnych kierunków. Fizycy przypuszczają, że zdarzenia kosmiczne mogą generować protony i jądra atomowe o ogromnej energii, które zderzają się później z kosmiczną materią, emitując cząstki o nazwie piony. A rozpady naładowanych pionów prowadzą do powstawania wysokoenergetycznych neutrin. A co może być takim kosmicznym zdarzeniem generującym tak potężne promieniowanie kosmiczne? Cóż, tego właśnie fizycy najbardziej chcą się dowiedzieć. Kandydatami są m.in. aktywne jądra galaktyk, supermasywne czarne dziury, pozostałości po supernowych i inne ekstremalne środowiska zdolne do przyspieszania cząstek do ogromnych energii.
„Francis Halzen kierował międzynarodowym zespołem naukowców i inżynierów, którzy stworzyli dla nas fantastyczne urządzenie – mówi Mark Pearce, przewodniczący Komitetu Noblowskiego ds. Fizyki. – Jego wytrwałość i wizja naukowa utorowały drogę dla nowego rodzaju astronomii”