7 października ogłoszono przyznanie Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki Francisowi Halzenowi, fizykowi z University of Wisconsin–Madison, za decydujący wkład w stworzenie i rozwój obserwatorium neutrin IceCube oraz odkrycie wysokoenergetycznych neutrin pochodzenia astrofizycznego.
Na pierwszy rzut oka trudno znaleźć w tej historii coś spektakularnego. Neutrina, kilka kilometrów antarktycznego lodu i tysiące detektorów optycznych nie brzmią jak opowieść o odkrywaniu Wszechświata. A jednak właśnie o to tutaj chodzi. IceCube otworzył astronomii nowe okno na kosmos — takie, przez które możemy badać nie światło, lecz cząstki docierające do Ziemi z najbardziej energetycznych miejsc we Wszechświecie.
Wyobraźmy sobie neutrino, które powstało bardzo daleko od nas, być może w pobliżu aktywnej supermasywnej czarnej dziury. Wyrusza w przestrzeń i przez miliony, a nawet miliardy lat przemierza kosmos. Mija gwiazdy, galaktyki, obłoki gazu i pyłu. W końcu dociera do Ziemi. Przelatuje przez atmosferę, skały i całe wnętrze planety. I dopiero głęboko pod powierzchnią Antarktydy dochodzi do niezwykle rzadkiego zderzenia z atomem lodu. Powstaje naładowana cząstka. W lodzie pojawia się krótki, niebieski błysk. To właśnie taki ślad potrafi zarejestrować IceCube.
Neutrina należą do najbardziej niezwykłych cząstek znanych fizyce. Są niezwykle lekkie, nie mają ładunku elektrycznego i bardzo słabo oddziałują z materią. W ogromnych ilościach nieustannie przechodzą przez nasze ciała, nie powodując żadnego zauważalnego skutku. Ich niezwykła przenikliwość jest jednocześnie problemem i zaletą. Większość neutrin przechodzi przez materię bez żadnej reakcji, dlatego ich wykrycie jest niezwykle trudne. Z drugiej strony dzięki temu mogą wydostać się z miejsc, z których światło nie zawsze potrafi się uwolnić, a następnie pokonać ogromne odległości bez większych przeszkód. Neutrina powstają między innymi w Słońcu, ale także podczas najbardziej gwałtownych procesów zachodzących we Wszechświecie. Szczególnie interesujące są te o bardzo wysokich energiach. Ich obecność może świadczyć o działaniu kosmicznych akceleratorów cząstek — środowisk, w których natura osiąga energie nieosiągalne dla ziemskich urządzeń. Astronomia przez większą część swojej historii była sztuką patrzenia. Najpierw obserwowaliśmy niebo gołym okiem. Później pojawiły się teleskopy, a wraz z nimi kolejne zakresy promieniowania: fale radiowe, podczerwień, promieniowanie rentgenowskie i gamma. Każdy z nich pozwalał zobaczyć zjawiska, których wcześniej nie potrafiliśmy dostrzec.
Światło ma jednak ograniczenia. Może zostać pochłonięte, rozproszone albo zablokowane przez materię znajdującą się na jego drodze. Neutrina zachowują się inaczej. Ponieważ niezwykle słabo oddziałują z materią, mogą wydostać się z gęstych i gwałtownych środowisk kosmicznych, a później dotrzeć do nas niemal po linii prostej. Dzięki temu dostarczają informacji o procesach, których nie zawsze można badać za pomocą tradycyjnych obserwacji astronomicznych. To ważna zmiana. Wszechświat można poznawać nie tylko poprzez promieniowanie elektromagnetyczne, lecz także poprzez docierające do Ziemi cząstki. Realizacja tego pomysłu wymagała stworzenia detektora na skalę, która sama w sobie robi wrażenie.
IceCube znajduje się na biegunie południowym. Nie jest klasycznym teleskopem. Jego aparatura została rozmieszczona głęboko pod powierzchnią Antarktydy, w lodzie sięgającym mniej więcej od 1,5 do 2,5 kilometra głębokości. Tysiące modułów optycznych tworzą ogromny detektor. Naukowcy nie rejestrują bezpośrednio neutrina. Obserwują skutki jego niezwykle rzadkich interakcji. Kiedy neutrino zderzy się z atomem lodu, może powstać naładowana cząstka. Jeżeli porusza się wystarczająco szybko, w lodzie pojawia się promieniowanie Czerenkowa — charakterystyczny niebieski błysk. Detektory rejestrują moment pojawienia się światła, jego intensywność oraz miejsce, w którym zostało wykryte. Na tej podstawie fizycy mogą odtworzyć trajektorię cząstki, określić kierunek, z którego przybyło neutrino, i oszacować jego energię. Ogromna bryła lodu staje się więc gigantycznym detektorem cząstek. Wybór Antarktydy nie jest przypadkowy. Ziemia jest nieustannie bombardowana promieniowaniem kosmicznym. Cząstki docierające do atmosfery wywołują kaskady kolejnych cząstek, które mogłyby utrudniać poszukiwanie rzadkich sygnałów neutrinowych. Kilometry lodu pomagają ograniczyć ten problem. Materia zatrzymuje znaczną część cząstek stanowiących tło, podczas gdy neutrina mogą przechodzić przez nią niemal bez przeszkód. Lód pełni więc podwójną funkcję: jest osłoną przed częścią zakłóceń i jednocześnie środowiskiem, w którym można wykryć ślady interakcji neutrin. To rozwiązanie jest równie proste w swojej zasadzie, co imponujące w skali. Odkrycie wysokoenergetycznych neutrin pochodzenia astrofizycznego miało znaczenie wykraczające poza samą fizykę cząstek. Pozwoliło rozpocząć nowy rodzaj astronomii. Światło pokazuje nam jedno oblicze kosmicznych zjawisk. Fale grawitacyjne dostarczają innych informacji. Neutrina pozwalają natomiast badać procesy zachodzące w niezwykle energetycznych środowiskach i próbować wskazywać ich źródła. Z czasem część obserwowanych neutrin udało się powiązać z konkretnymi obiektami, między innymi z aktywnymi jądrami odległych galaktyk. To zmienia perspektywę, z jakiej patrzymy na kosmos. Nie jesteśmy już ograniczeni do obserwowania tego, co emituje światło. Możemy analizować również cząstki, które przebyły ogromne odległości i zachowały informacje o miejscu, w którym powstały. Historia IceCube jest przy tym historią cierpliwości. Tysiące detektorów pozostają zanurzone w lodzie, czekając na zdarzenia, które są niezwykle rzadkie. Większość neutrin przeleci przez detektor bez żadnego śladu. Od czasu do czasu jednak jedno z nich wejdzie w interakcję z materią i pozostawi charakterystyczny sygnał. Wtedy pojedynczy błysk może uruchomić cały proces analizy. Fizycy odtwarzają trajektorię cząstki, określają jej energię i próbują ustalić kierunek, z którego przybyła. Jeśli uda się znaleźć źródło, można połączyć cząstkę z wydarzeniem zachodzącym w odległej części Wszechświata. To niezwykłe, że informacja o procesie sprzed miliardów lat może zostać zapisana w kilku impulsach światła powstałych w lodzie. Właśnie dlatego znaczenie pracy Francisa Halzena i zespołu IceCube nie sprowadza się do budowy wielkiego detektora.
Chodzi o zmianę sposobu obserwowania rzeczywistości.
Przez wieki astronomia opierała się przede wszystkim na świetle. Dziś coraz częściej wykorzystuje różne rodzaje sygnałów docierających do Ziemi. Powstaje obraz Wszechświata, który nie jest już tworzony przez jeden rodzaj obserwacji, lecz przez wiele niezależnych źródeł informacji. W tej historii szczególnie fascynujące jest to, że narzędziem stała się cząstka, której niemal nie sposób zatrzymać. Neutrino może przemierzyć całą planetę, nie pozostawiając po sobie żadnego śladu. A jednak czasami, głęboko pod antarktycznym lodem, ujawnia swoją obecność. Jeden taki błysk może wystarczyć, by rozpocząć opowieść o wydarzeniu, które miało miejsce miliardy lat temu i niewyobrażalnie daleko od nas. Być może właśnie na tym polega najpiękniejsza część tej historii: nie musimy dotrzeć do najodleglejszych miejsc Wszechświata, żeby zdobyć informacje o tym, co się w nich dzieje. Czasami wystarczy poczekać, aż coś stamtąd do nas dotrze.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz