Dlaczego szukamy cząstek widma? [Prof. Ariel GOOBAR]

Cząstki widma, czyli neutrina, przynoszą informacje o najbardziej gwałtownych procesach we Wszechświecie, ale ich wykrycie wymaga instrumentów o niezwykłej skali. Prof. Ariel Goobar z Uniwersytetu Sztokholmskiego wyjaśnia, dlaczego naukowcy wykorzystali do tego antarktyczny lód i jakie znaczenie ma detektor IceCube. Przypomina również, że droga od fundamentalnego odkrycia do technologii używanej na co dzień może trwać wiele lat.

Neutrina zawdzięczają określenie „cząstki widma” właściwości, która jednocześnie czyni je cennym źródłem wiedzy i wyjątkowo trudnym przedmiotem badań. Są elektrycznie obojętne i bardzo słabo oddziałują z materią, dzięki czemu mogą wydostawać się z gęstych obszarów kosmosu, niosąc informacje o zachodzących tam procesach. Ogromna większość przelatuje jednak przez aparaturę, nie pozostawiając sygnału, który naukowcy mogliby zarejestrować. Prof. Ariel Goobar tłumaczy, dlaczego odpowiedzią na to wyzwanie stało się wykorzystanie ogromnej objętości naturalnego lodu.

Punktem wyjścia do tej rozmowy jest przyznanie Francisowi Halzenowi Nagrody Nobla z fizyki 2026 za jego wkład w rozwój obserwatorium IceCube i odkrycie wysokoenergetycznych neutrin pochodzenia astrofizycznego. Sylwetkę badacza oraz najważniejsze rezultaty obserwacji przedstawiamy w naszym materiale o Francisie Halzenie i Noblu z fizyki 2026: „Nagroda Nobla z fizyki 2026. Lód Antarktydy odsłonił niewidzialny kosmos [Francis HALZEN]”. Wypowiedź sztokholmskiego astrofizyka pozwala przyjrzeć się pytaniu, po co ludzkości tak wymagające badania. Łączy wyjaśnienie niezwykłego eksperymentu z refleksją nad tym, jak odkrycia naukowe zmieniają nasze możliwości poznawania świata.

Cząstki widma potrzebują ogromnego detektora

„Neutrina wydostają się z takich obszarów, jak wnętrza gwiazd, ich wykrycie jest niezwykle trudne. Potrzebny byłby do tego ogromny teleskop, ale zamiast budowy gigantycznego teleskopu, lepiej było umieścić detektor głęboko w lodzie; mówimy tu o skali kilometrów sześciennych” – wyjaśnia prof. Ariel Goobar. W tym przypadku lód staje się częścią instrumentu, ponieważ dostarcza materii, w której może dojść do rzadkiego oddziaływania neutrina. Umieszczona w nim aparatura wychwytuje świetlne ślady produktów takiego zdarzenia.

Warunki na biegunie południowym pozwoliły połączyć ogromną objętość ośrodka z jego przejrzystością i stabilnością. Prof. Goobar zwraca uwagę, że do podobnych poszukiwań można wykorzystywać także wodę oceaniczną, a wybór miejsca zależy od możliwości rejestrowania bardzo słabych sygnałów świetlnych. W przypadku IceCube istotną zaletą jest głęboki, silnie sprasowany lód, w którym pęcherzyki powietrza nie zakłócają pomiarów tak jak w lodzie znajdującym się bliżej powierzchni. Znaczenie ma również gruba warstwa lodu nad aparaturą, osłaniająca ją przed częścią tła docierającego z powierzchni.

Aby przybliżyć skalę urządzenia, astrofizyk porównuje je ze sztokholmską areną Globen, charakterystyczną halą w kształcie globu. Według przywołanego przez niego porównania detektor jest około 1500 razy większy od tej budowli, przy czym chodzi o objętość obszaru wykorzystywanego do obserwacji. Tak wielki instrument zwiększa szansę na zarejestrowanie cząstki, która zwykle przelatuje przez materię bez uchwytnego śladu. Rozmiar wynika więc bezpośrednio z właściwości neutrin.

Światło rejestrowane przez IceCube emitują naładowane cząstki powstające w wyniku oddziaływania neutrina z materią, a samo neutrino pozostaje elektrycznie obojętne. Rozkład błysków oraz moment ich dotarcia do czujników pozwalają rekonstruować przebieg zdarzenia i szacować kierunek nadejścia neutrina. „Jest to bardzo ważna cecha, nie tylko wykrywamy cząstkę, ale też potrafimy określić, skąd ona pochodzi” – podkreśla prof. Goobar. To właśnie możliwość powiązania sygnału z jego kosmicznym źródłem sprawia, że detektor służy astronomii.

Od pytań o kosmos do technologii codziennego życia

Prof. Goobar wskazuje, że naukowców interesują przede wszystkim najbardziej energetyczne i gwałtowne procesy we Wszechświecie. Neutrina pozwalają pytać o warunki, w których materia jest rozpędzana do ogromnych energii, oraz o to, co dzieje się w trudno dostępnych obszarach kosmicznych obiektów. W ocenie astrofizyka IceCube otworzył „nowe okno” obserwacyjne, rozszerzając zakres informacji dostępnych badaczom. Każda nowa metoda obserwacji daje możliwość sprawdzania wyjaśnień, które wcześniej trudno było skonfrontować z pomiarami.

Astrofizyk wyraża nadzieję, że zainteresowanie fundamentalnymi pytaniami fizyki będzie sprzyjało dalszemu rozwojowi badań i technologii. „Ogólnie rzecz biorąc, potrzeba wielu lat zanim większość odkryć znajdzie praktyczne zastosowanie” – przypomina. Jako przykład wskazuje teorię względności Einsteina, której znaczenie wykracza dziś daleko poza opis zjawisk kosmicznych. Jej uwzględnienie jest potrzebne w działaniu systemu GPS, z którego korzystamy między innymi w telefonach.

Przywołany przykład pokazuje, jak trudno z góry określić wszystkie przyszłe zastosowania wiedzy zdobywanej w badaniach podstawowych. Pytania stawiane przez fizyków mogą prowadzić do rezultatów, które dopiero po latach stają się częścią codziennego życia. O zależności między badaniami, innowacjami i społecznym dobrostanem pisał na łamach „Wszystko co Najważniejsze” prof. Michał Kleiber w tekście „Nagrody Nobla. Nauka dzisiaj, innowacje jutro, rosnący społeczny dobrostan pojutrze”. W jego ujęciu rozwijanie nauki wymaga konsekwencji oraz czasu potrzebnego do wykorzystania osiąganych rezultatów.

Prof. Goobar przypomina również o międzynarodowym charakterze przedsięwzięcia, za którym stoi praca wielu zespołów. Wyróżnienie jednego badacza kieruje uwagę na koncepcję, której urzeczywistnienie wymagało współpracy naukowców i specjalistów z różnych krajów. IceCube pokazuje dzięki temu zarówno możliwości nowej metody poznawania kosmosu, jak i skalę wspólnego wysiłku potrzebnego do jej stworzenia.

Daniel Zyśk/PAP/SN