Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2026 roku trafiła do Francisa Halzena z University of Wisconsin-Madison za jego decydujący wkład w powstanie obserwatorium neutrinowego IceCube i odkrycie wysokoenergetycznych neutrin pochodzenia astrofizycznego. To docenienie wieloletniej pracy nad projektem, którego realizacja wymagała niekonwencjonalnego podejścia: zamiast budować ogromny detektor, naukowcy postanowili wykorzystać naturalny lód Antarktydy.
IceCube pozwolił wykryć neutrina docierające do Ziemi z odległych obszarów Wszechświata. Dzięki nim astronomowie mogą badać procesy zachodzące w miejscach, z których trudno uzyskać pełny obraz za pomocą tradycyjnych teleskopów. Rozwój tej metody obserwacji zapoczątkował nowy etap astrofizyki, w którym informacje o kosmosie czerpie się nie tylko ze światła, ale również z cząstek elementarnych.
Neutrina – cząstki, które przenikają przez materię
Neutrina należą do najbardziej niezwykłych cząstek elementarnych. Nie mają ładunku elektrycznego, a ich masa jest bardzo mała. Oddziałują z materią niezwykle słabo, dlatego mogą przemierzać ogromne odległości, nie ulegając istotnym zmianom.
Ta właściwość odróżnia je od naładowanych cząstek promieniowania kosmicznego, których tory zakrzywiają pola magnetyczne. Neutrina mogą też wydostawać się z obszarów, w których światło jest pochłaniane lub rozpraszane przez gęstą materię.
Dzięki temu niosą informacje o procesach zachodzących w odległych galaktykach, w otoczeniu czarnych dziur i w innych obiektach, w których cząstki osiągają ogromne energie. Ich wykrywanie jest jednak trudne. Neutrino może przelecieć przez Ziemię, nie oddziałując z żadnym atomem. Aby zwiększyć szansę rejestracji, potrzebny jest detektor o olbrzymiej objętości.
Kilometr sześcienny lodu jako detektor cząstek
Pomysł wykorzystania Antarktydy do obserwacji neutrin Francis Halzen przedstawił już w 1988 roku. Zamiast budować sztuczny zbiornik wypełniony materiałem detekcyjnym, zaproponował wykorzystanie naturalnego, wyjątkowo przejrzystego lodu pod amerykańską stacją badawczą Amundsen–Scott na Biegunie Południowym.
Tak powstał IceCube – detektor obejmujący około kilometra sześciennego lodu. Jego budowa trwała od 2005 do 2010 roku. W tym czasie za pomocą strumieni gorącej wody pod wysokim ciśnieniem wykonano 86 pionowych otworów, sięgających na głębokość od około 1,45 do 2,45 kilometra. Umieszczono w nich 5160 modułów optycznych, które po zamarznięciu wody pozostały na swoich miejscach.
Każdy moduł zawiera fotopowielacz i elektronikę rejestrującą światło. Urządzenia rozmieszczono tak, aby można było odtworzyć przebieg zdarzeń zachodzących w dużej objętości lodu.
Zasada działania IceCube opiera się na zjawisku promieniowania Czerenkowa. Kiedy neutrino oddziałuje z materią, może wytworzyć naładowaną cząstkę, na przykład mion. Jeśli cząstka ta porusza się w lodzie szybciej niż światło w tym ośrodku, emituje charakterystyczne promieniowanie. Nie oznacza to przekroczenia prędkości światła w próżni.
Światło dociera do rozmieszczonych w lodzie czujników, a pomiar czasu jego nadejścia i rozkładu sygnałów pozwala odtworzyć przebieg zdarzenia. Na tej podstawie naukowcy wyznaczają energię cząstki i ustalają kierunek jej przylotu. Zebrane dane pozwalają również odróżniać różne typy oddziaływań.
Pierwsze wysokoenergetyczne neutrina z kosmosu
Jednym z najważniejszych osiągnięć IceCube było wykazanie, że do Ziemi docierają neutrina o energiach znacznie przekraczających te spotykane w typowych procesach zachodzących w otoczeniu naszej planety.
W 2013 roku zespół eksperymentu przedstawił wyniki potwierdzające obecność wysokoenergetycznych neutrin pochodzących spoza Układu Słonecznego. Wśród zarejestrowanych zdarzeń znalazły się dwa, którym nadano nazwy Bert i Ernie. Ich energie sięgały około petaelektronowolta, czyli 10¹⁵ elektronowoltów. Dla porównania energia zderzających się cząstek w największym na świecie akceleratorze, LHC w CERN-ie, wynosi 14 TeV (ok. 1013 elektronowoltów), czyli ok. 100 razy mniej.
Odkrycie potwierdziło, że Wszechświat jest źródłem neutrin o bardzo wysokich energiach. Pojawiło się jednak kolejne pytanie: jakie obiekty je wytwarzają i jakie procesy fizyczne zachodzą w ich wnętrzu lub otoczeniu?
Odpowiedź wymagała połączenia obserwacji neutrin z pomiarami prowadzonymi przez teleskopy rejestrujące promieniowanie elektromagnetyczne.
Blazar TXS 0506+056 i narodziny astronomii wieloaspektowej
W 2017 roku IceCube zarejestrował zdarzenie oznaczone jako IC170922A. Jego kierunek wskazywał na blazar TXS 0506+056 – aktywną galaktykę (zasilaną przez supermasywną czarną dziurę), oddaloną od nas o 4 miliardy lat świetnych. Charakterystyczną cechą blazara jest dżet, czyli strumień materii wyrzucany z okolic czarnej dziury i skierowany w przybliżeniu w stronę Ziemi.
Informacja o zdarzeniu z IceCube uruchomiła obserwacje prowadzone przez inne instrumenty na całym świecie. Zebrane dane pozwoliły powiązać sygnał neutrinowy z aktywnością blazara i dostarczyły ważnych wskazówek dotyczących możliwych źródeł wysokoenergetycznych neutrin.
Wydarzenie to stało się jednym z najbardziej znanych przykładów astronomii wieloaspektowej (multi-messenger astronomy). Jej istotą jest badanie tych samych zjawisk kosmicznych za pomocą różnych sygnałów, między innymi światła, neutrin i fal grawitacyjnych. Każdy z nich dostarcza innych informacji, a ich wspólna analiza pozwala pełniej opisać badane obiekty.
Nie oznacza to jednak, że wszystkie źródła neutrin zostały już zidentyfikowane. Ustalenie ich pochodzenia pozostaje jednym z najważniejszych zadań współczesnej astrofizyki.
NGC 1068 – neutrina z aktywnej galaktyki
Kolejnym ważnym wynikiem były obserwacje galaktyki NGC 1068, znanej również jako Messier 77. W 2022 roku zespół IceCube przedstawił wyniki wskazujące na emisję neutrin z tego obiektu.
NGC 1068 jest galaktyką zawierającą aktywne jądro, w którego centrum znajduje się supermasywna czarna dziura. Otaczająca ją materia tworzy gęste środowisko, utrudniające bezpośrednie obserwacje niektórych procesów zachodzących w pobliżu centrum galaktyki.
Neutrina mogą wydostawać się z takich obszarów znacznie łatwiej niż fotony. Ich obserwacja pozwala więc badać procesy, których nie da się w pełni poznać na podstawie samego promieniowania elektromagnetycznego.
Wyniki dotyczące NGC 1068 wskazują, że aktywne jądra galaktyk mogą należeć do istotnych źródeł wysokoenergetycznych neutrin. Nadal jednak potrzebne są dalsze badania, aby dokładniej określić mechanizmy odpowiedzialne za ich powstawanie.
Droga Mleczna na mapie neutrinowej
IceCube dostarczył również nowych informacji o naszej własnej Galaktyce. W 2023 roku naukowcy przedstawili mapę Drogi Mlecznej opartą na obserwacjach neutrin.
Cząstki te mogą powstawać w wyniku oddziaływań wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego z materią międzygwiazdową. Analiza ich rozkładu pozwala zatem badać procesy zachodzące w Galaktyce i wskazywać obszary, w których mogą być produkowane wysokoenergetyczne cząstki.
Przygotowanie mapy wymagało analizy dużej liczby zdarzeń oraz zastosowania zaawansowanych metod statystycznych. Sygnał pochodzący z Drogi Mlecznej jest słaby, a dane z detektora obejmują również neutrina powstające w innych procesach.
Uzyskany obraz stanowi ważne uzupełnienie obserwacji prowadzonych za pomocą teleskopów. Pokazuje, że astronomia neutrinowa może służyć nie tylko do poszukiwania pojedynczych źródeł, lecz także do badania struktury i procesów zachodzących w naszej Galaktyce.
Nowe możliwości badania Wszechświata
Przyznanie Francisowi Halzenowi Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2026 roku jest uznaniem dla jego wkładu w rozwój IceCube i odkrycie wysokoenergetycznych neutrin pochodzenia astrofizycznego. Projekt ten pokazał, że do prowadzenia zaawansowanych badań można wykorzystać naturalne środowisko, pod warunkiem że jego właściwości odpowiadają wymaganiom eksperymentu.
IceCube nie zastępuje tradycyjnych teleskopów. Uzupełnia ich obserwacje, dostarczając informacji o procesach, których nie można w pełni zbadać za pomocą światła. Dzięki temu naukowcy mogą lepiej poznawać aktywne galaktyki, badać mechanizmy przyspieszania cząstek i poszukiwać źródeł najbardziej energetycznych zjawisk we Wszechświecie.
Badania neutrin dopiero się rozwijają. Kolejne obserwacje powinny pomóc w dokładniejszym ustaleniu, skąd pochodzą te cząstki i jakie warunki panują w miejscach ich powstawania. IceCube pokazał już jednak, że antarktyczny lód może stać się narzędziem do badania zjawisk zachodzących w najdalszych zakątkach kosmosu.
Autorzy: dr hab. A. Bubak prof UŚ, prof. dr hab. J. Kisiel