Jak co roku, w dniu ogłoszenia laureatów Nagrody Nobla z fizyki, na Wydziale Fizyki odbywa się wspólne śledzenie transmisji przez zgromadzoną publiczność, poprzedzone typowaniem faworytów (o tej tradycji pisałem już w \(\Delta^{11}_{24}\)). Tym razem wśród zapisanych na tablicy kilkunastu nazwisk znalazł się Francis Halzen. Wytypował go nie kto inny jak wielce zasłużony były członek zespołu naszej redakcji i autor niezliczonej liczby odcinków tego kącika, Krzysztof Turzyński.
Tegorocznym (jedynym) laureatem jest urodzony i wykształcony w Belgii, ale od 1972 pracujący w USA na University of Wisconsin-Madison, Francis Halzen. To nietypowe, bo ostatnia „pojedyncza” nagroda była przyznana ponad 30 lat temu. Warto jednak podkreślić, że noblista nie jest samotnym odkrywcą, a szefem kilkusetosobowego zespołu detektora IceCube, złożonego z naukowców z 58 instytucji z całego świata.
Główną częścią IceCube jest \(1\,\mathrm{km}^3\) lodu i właśnie gigantyczna objętość czyni go największym detektorem na świecie. Ta wielka kostka lodu jest kawałkiem naturalnego lądolodu pokrywającego Antarktydę i znajduje się w pobliżu bieguna południowego na głębokości od 1450 m do 2450 m. Tym, co wyróżnia tę konkretną kostkę spośród otaczającego ją lodu, jest 86 odwiertów, jakie wykonał w niej zespół Francisa Halzena. Do każdego odwiertu opuszczono kabel – z nanizanymi co 17 metrów fotopowielaczami – i pozostawiono do ponownego zamarznięcia. W ten sposób kostka została wypełniona pięcioma tysiącami sensorów czułych na światło. A wszystko po to, żeby rejestrować neutrina. Więcej o budowie i działaniu IceCube można przeczytać w \(\Delta^{3}_{16}\).
Istnienie neutrina zapostulował Wolfgang Pauli w 1930 roku, żeby ratować zasadę zachowania energii w rozpadach nietrwałych jąder (typu \(\beta\)). Sam Pauli miał podobno powiedzieć: „Zrobiłem straszną rzecz — zapostulowałem cząstkę, której nie da się wykryć”.
Dlaczego neutrina są tak nieuchwytne? Bo spośród oddziaływań czterech elementarnych podlegają tylko słabym i grawitacyjnym. Warto sobie uświadomić, że za strukturę materii, z której jesteśmy zbudowani my i nasze otoczenie, odpowiadają oddziaływania elektromagnetyczne. To one wiążą elektrony wokół jąder atomowych, atomy w struktury krystaliczne, itp. Przy tym rozmiary jąder są bardzo małe w porównaniu z rozmiarami atomów. Większość objętości atomu, a co za tym idzie całej atomowej materii, to praktycznie próżnia. Tak właśnie nas „widzą” neutrina, które nie mają ładunku i nie oddziałują elektromagnetycznie. Przelatują ich przez nas w każdej sekundzie, jak przez próżnię, miliardy. My ich nie czujemy, a one nie czują nas.
Sytuacja nie jest jednak tak beznadziejna, jak prorokował Pauli. Kiedy neutrino przelatuje blisko jakiegoś jądra atomowego, to istnieje bardzo małe, ale jednak niezerowe prawdopodobieństwo, że dojdzie – za pośrednictwem oddziaływań słabych – do reakcji, w wyniku której neutrino zostanie pochłonięte i powstaną inne cząstki, które już dają się obserwować. Pierwsza taka detekcja neutrina miała miejsce w roku 1956 (Nagrodę Nobla otrzymali za to Frederick Reines i Clyde L. Cowan). Rozpoczęła się długa i ciekawa historia badania własności neutrin, budowy kolejnych generacji detektorów, przełomowych odkryć, następnych Nagród Nobla, itp., o czym więcej można przeczytać w \(\Delta^{5}_{16}\), \(\Delta^{10}_{24}\) i \(\Delta^{3}_{25}\).
Zasada działania detektora IceCube jest taka sama jak innych detektorów neutrin. Jeżeli dojdzie do reakcji jednego z niezliczonych przelatujących przez antarktyczny lód neutrin z jądrem jednego z atomów, to może powstać naładowana cząstka (elektron lub mion), a nawet cała kaskada cząstek. Cząstki te, przelatując przez lód, oddziałują z cząsteczkami wody. Fotopowielacze rejestrują błysk. Na podstawie czasów dotarcia sygnału do poszczególnych elementów trójwymiarowej sieci detektorów i natężenia rejestrowanego światła badacze są w stanie odtworzyć przebieg reakcji, rozróżniać rodzaje neutrin, określić kierunek, z jakiego nadleciały, i ich energię. Im większa objętość detektora, tym większe prawdopodobieństwo, że jakaś cząstka się w nim złapie. Duża objętość pozwala też dokładniej śledzić tor szybko przelatujących cząstek i określić kierunek, z którego przybyły.
To, co wyróżnia detektor IceCube spośród innych, to cel prowadzenia obserwacji. Nie jest nim badanie własności samych neutrin, a zbieranie danych o ich źródłach. Neutrina mają być wykorzystywane jako nośniki informacji o zachodzących w odległym kosmosie zjawiskach, które prowadzą do ich powstania. Zadanie jest o tyle trudne, że zdecydowana większość rejestrowanych neutrin to tzw. tło, czyli neutrina pochodzące z reakcji zachodzących w atmosferze, a także ogromna liczba neutrin pochodzących ze Słońca. Przez kilkanaście lat obserwacji zespół wykonał ogromną pracę, żeby metodami statystycznymi wyłowić w tym morzu „nieciekawych” detekcji perełki pochodzące spoza Układu Słonecznego i dalej, spoza naszej Galaktyki. Udało się w szczególności złapać neutrina o ogromnych energiach rzędu PeV (czyli \(10^{15}\,\mathrm{eV},\) 1000 razy większej, niż uzyskują protony w LHC). Komitet Noblowski w uzasadnieniu podaje dwa najlepiej zidentyfikowane pozagalaktyczne źródła: TXS 0506+056 (tzw. blazar) i NGC 1068 (znana też jako M77, aktywna galaktyka typu Seyferta). Są to przełomowe przykłady tzw. astronomii wieloaspektowej, czyli rejestracji sygnałów całkowicie różnej natury. Tutaj mamy neutrina z IceCube i fale elektromagnetyczne zbierane przez różnego rodzaju teleskopy.
Stosunkowo niedawno miała miejsce pierwsza detekcja fal grawitacyjnych \(\Delta^{4}_{16}\) i pierwsza (jak na razie jedyna) jednoczesna detekcja fal grawitacyjnych i fotonów \(\Delta^{12}_{17}\). Kolejne generacje detektorów grawitacyjnych i neutrinowych są w budowie lub planowaniu. Pozostaje więc czekać na jednoczesną detekcję z tego samego źródła fal grawitacyjnych, elektromagnetycznych i neutrin. Co ujrzymy przez te nowo otwierające się okna na Wszechświat?