Naukowcy z AGH docenieni za badania neutrin. Nobel potwierdza słuszność ich drogi

Tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki dla prof. Francisa Halzena, pomysłodawcy i współtwórcy detektora neutrin IceCube na Antarktydzie, to potwierdzenie, że badając wysokoenergetyczne neutrina, idziemy w dobrym kierunku. Naukowcy z AGH są bowiem zaangażowani w bliźniczy eksperyment KM3NeT, zlokalizowany w głębinach Morza Śródziemnego, gdzie zrekonstruowali neutrino o niespotykanej dotychczas energii 220 PeV.

Neutrina jako messengery Wszechświata

Dr hab. Artur Ukleja, prof. AGH, wyjaśnia rolę tych cząstek w astronomii. Neutrina pełnią funkcję "gońców", którzy informują nas o największych kataklizmach we Wszechświecie wcześniej niż światło. Docierają do nas prawie natychmiast po zapadnięciu się gwiazdy, podczas gdy fotony potrzebują na to godzin lub nawet dni.

Co czyni je szczególnie wartościowymi? Neutrina mają blisko zerową masę i są pozbawione ładunku elektrycznego. To oznacza, że nie oddziałują z żadnymi polami elektrycznymi ani magnetycznymi - przechodzą przez każdą materię jak nóż przez masło. Kierunek, z jakiego nadleciały, dokładnie wskazuje na miejsce, z którego zostały wysłane, podczas gdy fotony nie poruszają się ruchem prostoliniowym.

Badania neutrin pozwalają też na testowanie modelu standardowego. Ten zakłada, że neutrina mają zerową masę - co przeczy doświadczeniom naukowców. Jeśli więc znajdziemy coś, co nie pasuje do modelu, będzie to wskazanie na istnienie nowych zjawisk fizycznych.

Detektory IceCube i KM3NeT - jak działają?

Eksperymenty takie jak IceCube i KM3NeT wyróżniają się tym, że nie ograniczają się tylko do pomiaru oscylacji neutrin - poszukują one źródeł emisji neutrin w kosmosie. To odróżnia je od japońskich eksperymentów Super-Kamiokande i Hyper-Kamiokande, które zlokalizowane są głęboko pod ziemią.

Proces detekcji opiera się na zjawisku fizycznym zwanym promieniowaniem Czerenkowa. Kiedy neutrino uderza w jądro atomu, może przekazać mu część swojej energii, powodując powstanie nowych cząstek. Jeśli ta cząstka porusza się szybciej niż światło w danym ośrodku, towarzyszy jej charakterystyczne promieniowanie świetlne. Aparatura obu eksperymentów składa się z kilkudziesięciu sznurków, na których w określonych odległościach od siebie zamontowane są układy detekcyjne zawierające fotopowielacze rejestrujące to promieniowanie.

Wraz z eksperymentem P-ONE, IceCube i KM3NeT tworzą Global Neutrino Network - sieć mającą na celu pokrycie jak największego obszaru nieba i zmierzenie jak najwięcej cząstek tego typu.

Przyszłość: akustyka zamiast światła

Naukowcy z AGH opracowują rewolucyjną metodę detekcji opartą na sygnałach akustycznych zamiast światła. Pierwsze próby wykorzystania sygnałów akustycznych do detekcji wysokoenergetycznych neutrin pojawiły się już w latach 70., jednak w żadnym eksperymencie nie zostały jeszcze zaimplementowane.

Plan jest ambitny: w ramach KM3NeT zaplanowano budowę detektora opartego wyłącznie na hydrofonach rejestrujących sygnały akustyczne. Neutrina oddziałujące w wodzie czy lodzie generują takie sygnały przez efekt termoakustyczny - analiza ich pozwala oszacować energię i położenie miejsca oddziaływania neutrina.

W przypadku wysokoenergetycznych neutrin pochodzenia kosmicznego detekcja akustyczna wydaje się być jedyną metodą, która pozwoli na dokonywanie ich efektywnych pomiarów. Światło rozchodzi się tylko na kilka metrów, natomiast sygnał akustyczny na odległości mierzone w kilometrach. To pozwoli na budowanie największych detektorów przy niższych kosztach i z wyższą dotychczas dokładnością pomiarów.

"Ta nagroda jest potwierdzeniem tego, że badając wysokoenergetyczne neutrina, idziemy w dobrym kierunku. Jako AGH jesteśmy uczestnikami podobnego eksperymentu KM3NeT, który zlokalizowany jest w głębinach Morza Śródziemnego" - Dr hab. Artur Ukleja, prof. AGH

Źródło: AGH