NOBELOVA NAGRADA 2026: SLEDI KOZMIČNIH POSPEŠEVALNIKOV DELCEV NA JUŽNEM TEČAJU

Nevtrini so najbolj sramežljivi delci vesolja: nimajo električnega naboja, njihova masa pa je komaj kaj večja od nič. Prav zato običajno neopazno prehajajo skozi snov in le redko pokažejo svojo prisotnost s tem, da trčijo v kakšno atomsko jedro. Ne da bi to opazili, nam vsako sekundo skozi nohet na mezincu steče 65 milijard nevtrinov, ki izvirajo iz Sonca. Nevtrini prihajajo tudi iz drugih predelov vesolja in nosijo zanimive sledi o nekaterih skrivnostih kozmosa. Če nam uspe ujeti te redkejše kozmične nevtrine, lahko pridobimo informacije o skrajnih okoljih vesolja, od koder izvirajo.

Hitro je prepričal tudi druge in leta 1992 je skupina vztrajnih raziskovalcev in inženirjev res začela prve poskuse, pri katerih so detektorje svetlobe spustili v enega od ledenikov na južnem tečaju. Na preboj je bilo treba čakati približno dvajset let: nevtrinski teleskop IceCube je takrat prvič zaznal nevtrine z lastnostmi, ki so raziskovalce prepričale, da res izvirajo iz oddaljenih predelov vesolja. Od tam naprej se je lahko z še večjo močjo začelo iskanje virov nevtrinov v vesolju.

Fizika delcev se sreča z astrofiziko

Halzen je odraščal v Belgiji. Razvoj v šestdesetih letih ga je pritegnil k fiziki delcev, sprva pa se je osredotočal na masivne delce, zgrajene iz kvarkov. Kmalu po doktoratu je začel delati v Združenih državah, na univerzi Wisconsin–Madison. Vmes je ugotovil, koliko se lahko fizika delcev nauči iz delcev, ki prihajajo k nam iz vesolja – in da lahko astrofizika po drugi strani koristi od fizike delcev.

Ozadje raziskovanja nevtrinov je motivacija, ki izhaja iz opazovanja povsem drugih delcev. Kozmos nenehno prečkajo delci, ki jih skupaj imenujemo kozmično sevanje. Večinoma so to protoni, torej »gola« atomska jedra vodika. Protoni iz vesolja nas včasih dosežejo z neverjetno količino energije, ki daleč presega energijo, ki bi jim jo bilo mogoče predati v pospeševalniku delcev na Zemlji.

Izvor kozmičnega sevanja z največjo energijo je bil dolgo ena največjih skrivnosti vesolja. Ker po zakonih fizike procesi, ki pospešujejo protone do visokih energij, ustvarjajo tudi nevtrine z visoko energijo, lahko nevtrini ponudijo ključne sledi o teh kozmičnih pospeševalnikih delcev. Kdor uspešno prepozna nevtrine, ki nosijo ogromno energije, jih lahko ločí od nevtrinov z bistveno nižjo energijo, ki nastajajo pri razpadu radioaktivnih snovi, izvirajo iz Sonca ali pa nastanejo, ko kozmično sevanje doseže Zemljino ozračje.

Bliski v ledu

V osemdesetih letih, ko se je Halzen že ukvarjal s kozmičnimi delci, je slišal, da sovjetski raziskovalci z radijskimi sprejemniki načrtujejo beleženje signalov nevtrinov na Antarktiki. Zamisel je bila, da ob trku nevtrina z enim od atomskih jeder v ledu nastane električna iskra, ki ustvari radijski val. Če je dovolj močan, ga je mogoče ujeti z radijsko anteno. Halzena je to navdihnilo in ugotovil je, da bi bila druga možna rešitev, če bi v ledeniški led namestili detektorje svetlobe in neposredno iskali bliske svetlobe, ki nastanejo ob trkih.

Že prej, okoli leta 1960, je več fizikov predlagalo, da bi bila voda lahko dobra snov za zaznavanje nevtrinov iz vesolja. V redkih primerih, ko nevtrino trči v atomsko jedro, nastane nabit delec. Ta nato potuje v isti smeri kot prvotni nevtrino in oddaja modro svetlobo. Ker je voda prozorna, je to svetlobo mogoče zaznati. Z ustrezno opremo je mogoče določiti smer poti svetlobe, pa tudi, od kod je prišel nevtrino. Najpomembnejši pogoj je bil, da je na voljo dovolj vode, da je mogoče opazovati sledi več trkov nevtrinov.

Stopil je v stik z raziskovalnim kolegom Johnom G. Learnedom, ki je delal na projektu DUMAND. To je bila podobna pobuda, katere cilj je bil beležiti svetlobne signale nevtrinov v globoki, čisti oceanski vodi ob obali Havajev. Fizika sta skupaj razpravljala o možnostih in izzivih zaznavanja nevtrinov na Antarktiki. Svoj koncept nevtrinskega observatorija, ki bi ga zgradili v ledu južnega tečaja, sta prvič predstavila leta 1988 na konferenci na Poljskem.

Nevtrinski teleskop na južnem tečaju

Francis Halzen je spoznal, da ima lahko namestitev nevtrinskega observatorija na geografskem južnem tečaju številne prednosti: tam je do takrat že delovala raziskovalna postaja, ki so jo redno oskrbovali, in izpolnjeni so bili vsi potrebni pogoji za delo ekipe.

Tudi led kot material je ponujal številne prednosti. Na dovolj veliki globini je tema stalna. Za razliko od oceana ni motenj zaradi živih bitij, raven radioaktivnih snovi pa je prav tako nizka. Led je stabilen in zagotavlja trdno površino za delavce v objektu. Območje je geološko stabilno, potresov ni. Slabost pa je, da je zaradi mraza večji del leta nemogoče potovati na južni tečaj ali z njega. Vse praktično delo je treba opraviti v kratkem obdobju antarktičnega poletja, med novembrom in februarjem.

Sprva se je Halzen zadovoljil s teoretičnim delom, Learned pa je bil zaposlen s svojim projektom in se ni nikoli več vrnil k njuni teoriji o zaznavanju nevtrinov na južnem tečaju. Zgodba bi se lahko končala tukaj – a koncept je vzbudil tako veliko zanimanje, da so se v nekaj letih okoli Halzena zbrali raziskovalci iz drugih ustanov, da bi uresničili njegovo zamisel o nevtrinski opazovalnici na Antarktiki.

Za to so morali najprej rešiti vrsto praktičnih težav, povezanih z namestitvijo instrumentov globoko v led. Od ledeniških raziskovalcev so izvedeli, da je mogoče kilometer globoke luknje vrtati s svojevrstno izpopolnjeno prho, ki led tali z vročo vodo. V z vodo napolnjeno luknjo je nato mogoče spustiti dolg kabel s svetlobnimi senzorji.

Nadležni mehurčki

Raziskovalna skupina je spuščanje senzorjev v led najprej preizkusila na Grenlandiji, da bi preverila, ali lahko zabeležijo svetlobo, ki jo oddajajo delci v ledu. Nato so na južnem tečaju začeli graditi prvi nevtrinski observatorij, predhodnika IceCuba: to je bil AMANDA.

Halzen pripoveduje, da je na sveti večer leta 1993 sedel za mizo z računalnikom v naročju in čakal na sporočilo, ki bo potrdilo, da so prvi kabel z optičnimi moduli spustili v led. Ko se je to zgodilo, so se pokazale tudi prve težave. Zgornja plast ledu je bila polna mehurčkov, ki so svetlobo sipali v različne smeri in zameglili informacije o gibanju delcev, zato so bili prvi poskusi razočaranje.

Eden od stranskih produktov nevtrinskega projekta je, da so se raziskovalci veliko naučili o lastnostih ledu na različnih globinah.

Gradnja AMANDE je trajala do januarja 2000. Vse je delovalo po načrtih, vendar sistem ni bil povsem primeren za zaznavanje nevtrinov z visoko energijo iz kozmičnih pospeševalnikov delcev. Potreben je bil večji volumen, zato se je začelo oblikovanje IceCuba – kubičnega kilometra ledu, opremljenega s svetlobnimi senzorji. IceCube je polno velikost dosegel leta 2011, s 5160 detektorji svetlobe, razporejenimi na 86 kablov. Skozi leta je Halzen ostajal aktiven katalizator, najprej pri AMANDI, pozneje pa pri IceCubu. Kot predan in navdušen vodilni raziskovalec je te projekte spremljal od faze zamisli do polnih meritev in znanstvenih rezultatov.

Nevtrinski observatorij, kakršen je IceCube, ne zaznava le nevtrinov, ki jih iščejo raziskovalci. Te kozmične nevtrine je treba odkriti med signali ozadja, ki jih povzroča kozmično sevanje, ki vstopa v Zemljino ozračje. Del teh delcev lahko prodre do senzorjev, nameščenih na globini med 1450 in 2450 metri pod površjem. Dnevno v ozračju nad Antarktiko zabeležijo več kot sto milijonov takšnih delcev. Kozmično sevanje v ozračju ustvarja tudi nevtrine, od katerih jih na dan nekaj sto doseže IceCube, potem ko so s severne poloble prešli skozi Zemljo.

Da bi našli kozmične nevtrine, morajo raziskovalci prepoznati dogodke, pri katerih so nevtrini reagirali z ledom. Tudi če ne morejo biti popolnoma prepričani, da določen nevtrino izvira od zunaj Zemlje, pregledajo vse izbrane dogodke in preverijo, ali njihove lastnosti kot celota ustrezajo lastnostim, pričakovanim od kozmičnih nevtrinov, in ali se razlikujejo od atmosferskih nevtrinov.

Čemu služijo nevtrini iz vesolja?

Nevtrinska astronomija se je v majhnem obsegu začela že v šestdesetih letih, ko je Raymond Davis Jr. opazoval nevtrine, ki prihajajo s Sonca. To je potrdila tudi raziskovalna skupina japonskega nevtrinskega observatorija Kamiokande pod vodstvom Masatoshija Koshibe, saj so lahko določili tirnico nevtrinov in izsledili njihov izvor. Leta 1987 je Kamiokande zabeležil plaz nevtrinov, ki so ga povezali z eksplodirajočo zvezdo, supernovo v sosednjem Velikem Magellanovem oblaku. To odkritje so kmalu dopolnile meritve nevtrinov, opravljene istočasno v Združenih državah in Sovjetski zvezi.

Ena težava pa je ostajala: število nevtrinov, ki jih je zaznal Raymond Davis Jr., je znašalo le tretjino količine, napovedane na podlagi izračunov reakcij, ki naj bi potekale v Soncu. Izkazalo se je, da je vzrok povezan z obstojem treh vrst nevtrinov. Fiziki so ugotovili, da lahko nevtrini spremenijo obliko, tako da nevtrino, ki nastane kot določena vrsta, na instrument na Zemlji prispe kot druga vrsta, za opazovanje teh preoblikovanih nevtrinov pa je bila potrebna drugačna tehnika, kot jo je uporabljal Raymond Davis Jr.

Nevtrini so torej fizikom pomagali potrditi procese v notranjosti Sonca in natančnost modelov za supernove. Namen IceCuba je bil dvigniti nevtrinsko astronomijo na novo raven v upanju, da lahko nevtrini zagotovijo informacije o pojavih, skritih za prašnimi oblaki, ali o objektih, ki so tako oddaljeni, da druge oblike sevanja na poti izginejo. Cilj je bil pridobiti znanje, ki ga na drug način ni mogoče dobiti.

V primerjavi s protoni imajo nevtrini prednost, da nimajo električnega naboja. Tirnico nabitih protonov v vesolju spreminjajo magnetna polja, zato je nemogoče določiti njihov izvor s sledenjem njihove poti nazaj. Procesi, ki pospešujejo protone, pa ustvarjajo tudi nevtrine, na katere magnetna polja ne vplivajo, zato je s sledenjem tirnice nevtrinov z največjo energijo mogoče ugotoviti tudi, kje se pospešujejo protoni kozmičnega sevanja.

Kaj lahko pričakujemo v prihodnje?

Eden pomembnih ciljev naslednjega obdobja je določitev posameznih virov medzvezdnih nevtrinov. IceCube je nekaj možnih virov že prepoznal, med njimi aktivno galaksijo NGC 1068 (znano tudi kot M77). Od nevtrinov, ki jih je zaznal IceCube, jih je 79 po vsem sodeč prišlo iz te galaksije. Ta dokaz pa ni dovolj trden, da bi NGC 1068 dokazano opredelili kot vir nevtrinov. Več ko je nevtrinov, ki jih zabeležijo senzorji, večja je možnost, da bo mogoče določiti njihov izvor.

V zadnjih letih je raziskovalcem, ki stojijo za IceCubom, uspelo opaziti tudi nevtrine z visoko energijo iz naše lastne galaksije, Rimske ceste. Domnevajo, da nastanejo, ko kozmično sevanje trči v atome v redkem medzvezdnem plinu.

V prihodnjih letih bomo zagotovo veliko slišali o nevtrinski astronomiji, saj tudi drugi sledijo poti, ki so jo utrli zasnovalci IceCuba. Na severni polobli je že več drugih nevtrinskih teleskopov v različnih fazah razvoja, vendar ti delujejo v vodi, ne v ledu. Projekt DUMAND, ki je Halzena navdihnil v osemdesetih letih, se je sicer končal leta 1995, a njegovi nauki živijo naprej v različnih drugih projektih, na primer v observatorijih v Bajkalskem jezeru, Sredozemskem morju, Južnokitajskem morju in ob zahodni obali Kanade. IceCube pa še naprej deluje, trenutno pa je v načrtu tudi njegova razširitev.