Ukryli tysiące czujników w antarktycznym lodzie. Efekt? Nagroda Nobla i badanie największych tajemnic z kosmosu

We wtorek w Sztokholmie ogłoszono nazwisko tegorocznego laureata Nagrody Nobla z fizyki. Został nim Francis Halzen – belgijski fizyk, który obecnie pracuje na University of Wisconsin-Madison w USA. Komitet Noblowski docenił go za "kluczowy wkład w powstanie detektora IceCube Neutrino Observatory i odkrycie neutrin wysokich energii pochodzenia astrofizycznego".

– Nagrodzone Noblem obserwatorium IceCube to nowy, specyficzny pomysł na eksperyment. Polega na tym, że w lodzie na Antarktydzie zatapiamy czujniki światła i obserwujemy sygnał świetlny produkowany przez cząstki poruszające się szybciej niż światło w lodzie. To tak zwane promieniowanie Czerenkowa. Takie niebieskie światło emitowane przez szybko poruszające się cząstki można też zaobserwować na przykład w reaktorach atomowych – wyjaśniła w rozmowie z PAP dr hab. Justyna Łagoda z Zakładu Fizyki Wielkich Energii Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ).

Dodała, że pomysł na zbudowanie detektora wykorzystującego lód na Antarktydzie został przedstawiony przez prof. Halzena na konferencji w Polsce w 1988 r. w Łodzi (chodzi o 5th International Symposium on Very High Energy Cosmic Ray Interactions  - przyp. PAP). W zeszłym roku laureat Nagrody Nobla odwiedził Polskę – wygłosił referat o eksperymencie IceCube na warsztatach poświęconych wodnym detektorom czerenkowskim, zorganizowanym w Krakowie.

Wyjaśniła, że na podstawie ilości tego światła można szacować energię cząstki, która emituje promieniowanie. – IceCube to jest eksperyment, który wykorzystuje kostkę lodu o objętości ok. jednego kilometra sześciennego. W lodzie, głęboko pod powierzchnią, zostały wydrążone kanały, w które są wpuszczone czujniki światła na linach. Dzięki nim badacze rejestrują te sygnały i na tej podstawie są w stanie powiedzieć, że przez lód przeszła cząstka o wysokiej energii i skąd nadleciała – opowiadała dr hab. Łagoda.

90 proc. młodych Polaków nie umie zrobić 100 proc. testu. Dasz radę 15/15? Geografia. POLSKA. Miasta i województwa

Zobacz również

Ukryli tysiące czujników w antarktycznym lodzie. Efekt? Nagroda Nobla i badanie największych tajemnic z kosmosu

Zaznaczyła, że cząstką, która może wejść głęboko w lód (a czujniki są zamontowane na głębokości ok. 2 km pod powierzchnią) jest tylko neutrino. – To jest cząstka, która nie ma ładunku elektrycznego, zatem tor jej lotu nie ulega zakrzywieniu w polu magnetycznym żadnych ciał niebieskich. Neutrino porusza się więc po linii prostej, dlatego z dobrym przybliżeniem można stwierdzić, skąd nadleciało – podkreśliła.

Prof. dr hab. Ewa Rondio powiedziała PAP, że neutrina docierające do Ziemi są emitowane głównie przez Słońce, jednak IceCube obserwuje inne cząstki – o olbrzymich energiach. – Głównym celem eksperymentu jest rejestrowanie wysokoenergetycznych neutrin i śledzenie ich źródeł na mapie nieba. Energia tych cząstek sięga 10 do 18 potęgi elektronowolta (eV). Jest więc dużo większa, niż te możliwe do uzyskania nawet w największym akceleratorze na świecie, Wielkim Zderzaczu Hadronów (ang. Large Hadron Collider, LHC) – stwierdziła naukowczyni.

Dr hab. Łagoda wytłumaczyła, że takie cząstki mogą powstawać w odległych częściach kosmosu, na przykład w aktywnych jądrach galaktyk. – Nie do końca znamy mechanizm powstawania neutrin o tak wysokich energiach. W eksperymencie IceCube chodzi więc o to, by pomierzyć ich spektrum energetyczne, porównać je do różnych modeli teoretycznych i stwierdzić, który mechanizm najlepiej do nich pasuje – powiedziała.

Prof. Rondio wyjaśniła, że Obserwatorium Neutrin IceCube umieszczono na Antarktydzie, ponieważ tylko tam lód jest tak głęboki i czysty: – Wiercenia, żeby zamrozić czujniki światła, były prowadzone na wiele kilometrów w głąb lodu. Ta kostka lodu, w której są rejestrowane neutrina, nie znajduje się bezpośrednio pod powierzchnią, tylko jest głębiej zanurzona. To dlatego, żeby sygnału emitowanego przez cząstki nie zaburzały ewentualne zanieczyszczenia obecne w lodzie bliżej powierzchni.

Wspomniała, że na podobnej zasadzie działają inne detektory wysokoenergetycznych cząstek, na przykład europejski teleskop neutrinowy znajdujący się na dnie Morza Śródziemnego KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope).

Dla eksperymentu ważne jest, by lód, w którym umieszczone są czujniki, był całkowicie przezroczysty. – Tylko w takim środowisku promieniowanie Czerenkowa może się przemieszczać bez zakłóceń. Na głębokości kilku kilometrów w lodzie panuje takie ciśnienie, że nie ma w nim pęcherzyków powietrza, które występują na mniejszych głębokościach – podkreśliła dr hab. Justyna Łagoda. Jak zaznaczyła prof. Ewa Rondio, nagrodzone Noblem badania to wynik ponad 20-letniej pracy naukowców. – Detektor IceCube to nieocenione źródło wiedzy dla astrofizyków – podsumowała badaczka.