Nagroda Nobla z fizyki 2026. Lód Antarktydy odsłonił niewidzialny kosmos [Francis HALZEN]

Francis Halzen otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki 2026 za decydujący wkład w obserwatorium IceCube i odkrycie wysokoenergetycznych neutrin pochodzenia astrofizycznego. Dzięki tysiącom czujników zamrożonych w antarktycznym lodzie naukowcy badają sygnały docierające z odległych galaktyk. Prace Halzena pomogły otworzyć nowy sposób obserwowania Wszechświata.

.Pochodzący z Belgii prof. Francis Halzen jest związany z Uniwersytetem Wisconsin w Madison i należy do najważniejszych twórców projektu IceCube. Studiował na uczelni znanej dziś jako KU Leuven, gdzie uzyskał również doktorat, a do Wisconsin przyjechał w 1971 roku, po okresie pracy w CERN. Zaproszenie dotyczyło sześciomiesięcznego pobytu badawczego, jednak Madison stało się ośrodkiem jego dalszej kariery. Zainteresowanie wykorzystaniem neutrin do obserwacji kosmosu rozwinął w połowie lat osiemdziesiątych, kiedy zasadniczym wyzwaniem było znalezienie technologii zdolnej rejestrować te wyjątkowo trudne do wykrycia cząstki.

Francis Halzen i teleskop ukryty w lodzie Antarktydy

IceCube znajduje się w pobliżu stacji Amundsen–Scott na biegunie południowym, a jego zasadniczą część zbudowano z 5160 modułów optycznych rozmieszczonych na 86 pionowych linach. Czujniki zamrożono na głębokości od około 1450 do 2450 metrów, obejmując nimi blisko kilometr sześcienny lodu. Instalację podstawowego detektora zakończono w grudniu 2010 roku, a pełne obserwacje rozpoczęły się w maju 2011 roku. Zamiast lustra kierowanego ku niebu powstała ukryta w lodzie sieć urządzeń, która zamieniła naturalny lód w ogromny detektor cząstek.

Obserwatorium nie rejestruje neutrin bezpośrednio, lecz światło związane z ich rzadkimi oddziaływaniami z materią. Kiedy neutrino oddziałuje w lodzie lub w jego otoczeniu, może wytworzyć naładowane cząstki, które emitują promieniowanie Czerenkowa. Dochodzi do tego, gdy poruszają się szybciej, niż światło rozchodzi się w danym ośrodku, pozostając przy tym poniżej prędkości światła w próżni. Rozmieszczenie zarejestrowanych błysków i czas ich dotarcia do poszczególnych czujników pozwalają badaczom oszacować energię neutrina oraz kierunek, z którego nadleciało.

Znaczenie tej metody obserwacji wyjaśnia prof. Ariel Goobar z Uniwersytetu Sztokholmskiego, który wskazuje, że IceCube otworzył „nowe okno” do badania Wszechświata. Astrofizyk przybliża powody wykorzystania antarktycznego lodu oraz przypomina, dlaczego na praktyczne zastosowania odkryć naukowych trzeba niekiedy czekać wiele lat. Jego wypowiedzi przedstawiamy w materiale o tym, dlaczego szukamy cząstek widma: „Dlaczego szukamy cząstek widma? [Prof. Ariel GOOBAR]”.

Właśnie kierunek jest jednym z powodów, dla których neutrina mają tak wielkie znaczenie dla astronomii. W przeciwieństwie do naładowanych cząstek promieniowania kosmicznego nie są odchylane przez pola magnetyczne, dzięki czemu mogą wskazywać swoje odległe źródła. Bardzo słabo oddziałują z materią, mogą więc wydostawać się z gęstych obszarów, z których światłu trudno uciec. Ta sama właściwość sprawia jednak, że ich wykrywanie wymaga olbrzymich instrumentów i długiego gromadzenia danych.

Neutrina pokazują to, czego nie widać w świetle

Przełom nastąpił w 2013 roku, kiedy zespół IceCube ogłosił wyniki analizy 28 zdarzeń o bardzo wysokiej energii, zarejestrowanych między majem 2010 a majem 2012 roku. W próbce znaleziono sygnał, którego nie można było wyjaśnić wyłącznie procesami zachodzącymi w ziemskiej atmosferze. Był to mocny dowód istnienia strumienia wysokoenergetycznych neutrin docierających z kosmicznych akceleratorów cząstek. Otwierał możliwość badania najbardziej gwałtownych procesów we Wszechświecie za pomocą cząstek niosących informacje inne niż te, które uzyskujemy z obserwacji światła.

Kolejny ważny krok opisano w 2018 roku, wiążąc neutrino wykryte 22 września 2017 roku z blazarem TXS 0506+056, znajdującym się około czterech miliardów lat świetlnych od Ziemi. Blazar to aktywne jądro galaktyki, w którym jeden ze strumieni rozpędzonej materii, nazywanych dżetami, jest skierowany w stronę obserwatora. Po sygnale z IceCube inne obserwatoria, w tym teleskopy Fermi i MAGIC, badały aktywność tego obiektu, a zgodność obserwacji dostarczyła dowodów wskazujących na jego związek z kosmicznym neutrinem. Był to przykład astronomii wieloprzekaźnikowej, która łączy informacje o tym samym źródle uzyskiwane za pomocą różnych rodzajów promieniowania i cząstek.

W 2022 roku IceCube przedstawił również dowody emisji wysokoenergetycznych neutrin z NGC 1068, znanej jako Messier 77, aktywnej galaktyki odległej o około 47 milionów lat świetlnych. Jej centralny obszar, związany z supermasywną czarną dziurą, jest przesłonięty przez gaz i pył, co utrudnia obserwacje części powstającego tam promieniowania. Neutrina pozwalają badać procesy zachodzące w tych trudno dostępnych rejonach. Znaczenie IceCube polega więc także na dostarczaniu wiedzy o wnętrzach kosmicznych źródeł, których sam obraz uzyskany przez tradycyjne teleskopy nie opisuje w pełni.

.Rozwój tej dziedziny śledzimy również na łamach „Wszystko co Najważniejsze”, gdzie opisywaliśmy wykrycie przez śródziemnomorski detektor KM3NeT neutrina o szacowanej energii około 220 petaelektronowoltów. Wynik ogłoszony w 2025 roku pokazał, jak daleko mogą sięgać energie cząstek, które stają się narzędziem badania kosmosu. Obserwatoria wykorzystujące antarktyczny lód i morską wodę rozwijają dzięki temu wspólny kierunek poszukiwań, pozwalający zadawać nowe pytania o najpotężniejsze naturalne akceleratory we Wszechświecie.

Za osiągnięciami IceCube stoi międzynarodowa współpraca fizyków, inżynierów i zespołów utrzymujących aparaturę w jednym z najbardziej wymagających środowisk na Ziemi. Poprzedzający je eksperyment AMANDA wykazał, że antarktyczny lód może służyć do wykrywania energetycznych neutrin. Budowa większego obserwatorium wymagała następnie połączenia badań właściwości lodu, technologii głębokiego wiercenia i precyzyjnej elektroniki. Halzen odegrał kluczową rolę w przekształceniu tej koncepcji w działający program naukowy, którego rezultaty były publikowane przez zespół IceCube.

Tegoroczna Nagroda Nobla wiąże się z kwotą 12 milionów koron szwedzkich, a uroczystość wręczenia nagrody z fizyki odbywa się tradycyjnie 10 grudnia w Sztokholmie. W 2026 roku Fundacja Noblowska podniosła wartość wyróżnienia z wcześniejszych 11 milionów koron. O zmianie i zasadach finansowania nagrody pisaliśmy w materiale „Ile jest warta Nagroda Nobla?”.

Historia IceCube pozwala także spojrzeć na Nobla jako na przypomnienie, ile czasu potrzebują przełomowe badania. Od zainteresowania Halzena astronomią neutrinową do budowy obserwatorium i pierwszych odkryć minęły dziesięciolecia, wypełnione rozwiązywaniem problemów naukowych i technicznych. Ten długi horyzont badań jest również tematem tekstu prof. Michała Kleibera „Nagrody Nobla. Nauka dzisiaj, innowacje jutro, rosnący społeczny dobrostan pojutrze”. Redaktor naczelny „Wszystko co Najważniejsze” wskazuje w nim, że prowadzenie badań i wykorzystywanie ich rezultatów wymaga konsekwencji wykraczającej poza krótkie cykle polityczne.

Sebastian Nizio