Neutrini su najsramežljivije čestice svemira: nemaju električni naboj, a i masa im je gotovo zanemariva. Upravo zato obično neprimijećeno prolaze kroz materiju i tek rijetko odaju svoju prisutnost sudarom s pojedinom atomskom jezgrom. Bez da to primijetimo, kroz nokat našeg malog prsta svake sekunde prolazi 65 milijardi neutrina podrijetlom sa Sunca. Neutrini dolaze i iz drugih područja svemira i nose zanimljive tragove o pojedinim zagonetkama kozmosa. Ako uspijemo uhvatiti te rjeđe kozmičke neutrine, možemo dobiti informacije o onim ekstremnim okolinama svemira iz kojih potječu.
Francis Halzen je još 1980-ih shvatio da bi antarktički led mogao biti idealan za hvatanje dovoljne količine tih skrivenih neutrina, pa bi istraživači tako mogli saznati više o njihovim dalekim izvorima.
U to je brzo uvjerio i druge, a 1992. skupina ustrajnih istraživača i inženjera doista je započela prve pokuse, u kojima su detektore svjetlosti spustili u jedan ledenjak na Južnom polu. Na proboj se čekalo oko dvadeset godina: neutrinski teleskop IceCube tada je prvi put zabilježio neutrine takvih svojstava koja su uvjerila istraživače da doista potječu iz dalekih područja svemira. Od tada je s još većom snagom moglo početi traganje za izvorima neutrina u svemiru.
Fizika čestica susreće astrofiziku
Halzen je odrastao u Belgiji. Razvoj 1960-ih privukao ga je fizici čestica, a isprva se usredotočio na masivne čestice izgrađene od kvarkova. Nedugo nakon doktorata počeo je raditi u Sjedinjenim Državama, na Sveučilištu Wisconsin–Madison. Usput je shvatio koliko se fizika čestica može naučiti iz čestica koje nam stižu iz svemira – i da, obrnuto, astrofizika može profitirati od fizike čestica.
Motivacija za istraživanje neutrina proizlazi iz promatranja potpuno drugih čestica. Kozmos neprestano presijecaju čestice koje zajednički nazivamo kozmičkim zračenjem. Većina njih su protoni, odnosno „goli“ atomske jezgre vodika. Protoni koji stižu iz svemira ponekad do nas dolaze s nevjerojatno mnogo energije, koja daleko premašuje energiju koja bi im se mogla predati u akceleratoru čestica na Zemlji.
Podrijetlo kozmičkog zračenja najveće energije dugo je bilo jedna od najvećih tajni svemira. Budući da prema fizici procesi koji ubrzavaju protone do visokih energija stvaraju i neutrine visokih energija, neutrini mogu ponuditi ključne tragove o tim kozmičkim akceleratorima čestica. Tko uspješno identificira neutrine koji nose golemu količinu energije, može ih razlikovati od neutrina znatno niže energije, koji nastaju raspadom radioaktivnih tvari ili potječu sa Sunca, odnosno nastaju kad kozmičko zračenje dosegne Zemljinu atmosferu.
Neutrini koji ne potječu iz našeg okruženja sigurno dolaze odnekud vrlo, vrlo daleko – možda iz silovitih procesa u područjima gdje su eksplodirale zvijezde ili iz dalekih aktivnih galaktika.
Bljeskovi u ledu
Osamdesetih godina, kad se Halzen već bavio kozmičkim česticama, čuo je da sovjetski istraživači planiraju pomoću radioprijamnika bilježiti neutrinske signale na Antarktici. Zamisao je bila da pri sudaru neutrina s jednom atomskom jezgrom u ledu nastaje električna iskra koja stvara radiovalove. Ako je dovoljno jaka, može se uhvatiti radioantenom. Halzena je to nadahnulo i shvatio je da bi drugo moguće rješenje bilo postaviti detektore svjetlosti u ledenjački led i izravno tražiti bljeskove svjetlosti nastale sudarima.
Ranije, oko 1960., nekoliko je fizičara predložilo da bi voda mogla biti dobar materijal za detekciju neutrina iz svemira. U onim rijetkim slučajevima kad se neutrino sudari s atomskom jezgrom, nastaje nabijena čestica. Ona se zatim kreće u istom smjeru kao izvorni neutrino i emitira plavu svjetlost. Budući da je voda prozirna, ta se svjetlost može detektirati. Odgovarajućom opremom može se odrediti smjer putanje svjetlosti, pa čak i odakle je neutrino stigao. Najvažniji uvjet bio je da je na raspolaganju dovoljna količina vode kako bi se mogli promatrati tragovi više neutrinskih sudara.
Halzenova ideja bila je da umjesto vode koristi prirodne ledene mase.
Stupio je u kontakt s kolegom istraživačem Johnom G. Learnedom, koji je radio na projektu DUMAND. To je bila slična inicijativa s ciljem bilježenja svjetlosnih signala neutrina u dubokoj, čistoj oceanskoj vodi uz obalu Havaja. Fizičari su zajedno raspravljali o mogućnostima i izazovima detekcije neutrina na Antarktici. Prvi su put 1988. na konferenciji u Poljskoj predstavili svoj koncept neutrinske zvjezdarnice koja bi se izgradila u ledu Južnog pola.
Neutrinski teleskop na Južnom polu
Francis Halzen shvatio je da smještaj neutrinske zvjezdarnice na zemljopisnom Južnom polu može imati brojne prednosti: tamo je već djelovala istraživačka postaja u koju su se redovito dopremale zalihe i bili su ispunjeni svi uvjeti potrebni za rad tima.
I led kao materijal nudio je brojne prednosti. Na dovoljnoj je dubini tama stalna. Za razliku od oceana nema ometajućeg utjecaja živih bića, a i razina radioaktivnih tvari je niska. Led je stabilan i pruža čvrstu podlogu za one koji rade u objektu. Područje je geološki stabilno, potresa nema. Nedostatak je pak to što zbog hladnoće veći dio godine nije moguće putovati na Južni pol ni s njega odlaziti. Sav praktični rad mora se obaviti u kratkom razdoblju antarktičkog ljeta, između studenoga i veljače.
Isprva se Halzen zadovoljavao teorijskim radom, dok je Learned bio zaokupljen vlastitim projektom i nikad se više nije vratio njihovoj teoriji o hvatanju neutrina na Južnom polu. Priča je ovdje mogla i završiti – ali koncept je izazvao toliki interes da su se unutar nekoliko godina oko Halzena okupili istraživači iz drugih institucija kako bi ostvarili njegovu zamisao o neutrinskoj promatračnici na Antarktici.
Za to su najprije morali riješiti niz praktičnih problema vezanih uz postavljanje instrumenata duboko u led. Od istraživača ledenjaka saznali su da se kilometarske rupe mogu bušiti pomoću svojevrsne sofisticirane tuš-glave koja vrućom vodom topi led. Zatim se u rupu ispunjenu vodom može spustiti dugi kabel sa senzorima svjetlosti.
Halzen te senzore opisuje kao obrnute žarulje – instrument hvata svjetlost, a zatim je pretvara u električni signal.
Dosadni mjehurići
Istraživački je tim najprije na Grenlandu testirao spuštanje senzora u led, kako bi provjerili mogu li registrirati svjetlost koju emitiraju čestice u ledu. Zatim su na Južnom polu počeli graditi prvu neutrinsku zvjezdarnicu, prethodnicu IceCubea: bila je to AMANDA.
Prema Halzenovim riječima, na Badnjak 1993. sjedio je za stolom s računalom u krilu i čekao poruku koja će potvrditi da je prvi kabel s optičkim modulima spušten u led. Kad se to dogodilo, pokazali su se i prvi problemi. Gornji sloj leda bio je pun mjehurića koji su raspršivali svjetlost u različitim smjerovima i zamućivali informacije o kretanju čestica, pa su najraniji pokusi razočarali.
Međutim, pokazalo se da je ispod dubine od 1400 metara led iznimno čist i proziran. Tamo su bljeskovi svjetlosti od neutrina prelazili čak 300 metara prije nego što bi se apsorbirali, što je bilo mnogo dalje nego što je itko očekivao.
Jedan od nusprodukata neutrinskog projekta je to što su istraživači naučili mnogo o svojstvima leda na različitim dubinama.
Izgradnja AMANDE trajala je do siječnja 2000. Sve je radilo prema planu, ali sustav nije bio posve prikladan za detekciju neutrina visoke energije iz kozmičkih akceleratora čestica. Trebao je veći volumen, pa je počelo oblikovanje IceCubea – jednog kubičnog kilometra leda opremljenog senzorima svjetlosti. IceCube je punu veličinu dosegnuo 2011., s 5160 detektora svjetlosti raspoređenih na 86 kabela. Tijekom godina Halzen je i dalje djelovao kao aktivni katalizator, najprije kod AMANDE, a kasnije kod IceCubea. Kao predan i entuzijastičan voditelj istraživanja pratio je te projekte od faze ideje do punih mjerenja i znanstvenih rezultata.
Neutrinska zvjezdarnica poput IceCubea ne osjeća samo neutrine koje istraživači traže. Te kozmičke neutrine treba detektirati usred pozadinskih signala koje uzrokuje kozmičko zračenje što ulazi u Zemljinu atmosferu. Dio tih čestica može prodrijeti do senzora smještenih na dubini od 1450 do 2450 metara ispod površine. Dnevno se u atmosferi iznad Antarktike registrira više od sto milijuna takvih čestica. Kozmičko zračenje u atmosferi stvara i neutrine, od kojih nekoliko stotina dnevno dosegne IceCube nakon što prođu kroz Zemlju sa sjeverne polutke.
Da bi pronašli kozmičke neutrine, istraživači moraju identificirati događaje u kojima su neutrini stupili u interakciju s ledom. Čak i ako ne mogu biti potpuno sigurni da određeni neutrino potječe izvan Zemlje, pregledavaju sve odabrane događaje i provjeravaju odgovaraju li njihova svojstva u cjelini onima očekivanima od kozmičkih neutrina i razlikuju li se od atmosferskih neutrina.
Prvi dokazi da su doista pronađeni kozmički neutrini objavljeni su 2013., a nekoliko godina kasnije prikupljeno je već toliko podataka da se moglo biti sigurno u njihovo otkriće.
Čemu služe neutrini svemira?
Neutrinska astronomija na maloj je skali počela već 1960-ih, kad je Raymond Davis Jr. promatrao neutrine sa Sunca. To je potvrdio i istraživački tim japanske neutrinske zvjezdarnice Kamiokande pod vodstvom Masatoshija Koshibe, jer su uspjeli odrediti putanju neutrina i pratiti njihovo podrijetlo unatrag. Godine 1987. Kamiokande je zabilježio pljusak neutrina koji je povezan sa zvijezdom koja eksplodira, supernovom u susjednom Velikom Magellanovu oblaku. Ovo su otkriće ubrzo dopunila istodobna mjerenja neutrina u Sjedinjenim Državama i Sovjetskom Savezu.
Raymond Davis Jr. i Masatoshi Koshiba dobili su 2002. Nobelovu nagradu za fiziku za te prodorne rezultate, jer su dokazali da se neutrini mogu koristiti za proučavanje pojava u svemiru.
Jedan je problem, međutim, ostao: broj neutrina koje je detektirao Raymond Davis Jr. iznosio je tek trećinu količine predviđene izračunima reakcija koje se očekuju u Suncu. Pokazalo se da je uzrok tome postojanje triju vrsta neutrina. Fizičari su shvatili da neutrini mogu mijenjati oblik, pa neutrino nastao kao određena vrsta može na zemaljski instrument stići kao druga vrsta, a za promatranje tih preobraženih neutrina trebala je druga tehnika od one koju je koristio Raymond Davis Jr.
Promjenjivu prirodu neutrina otkrili su japanski i kanadski pokusi, a za to je otkriće 2015. Nobelovu nagradu za fiziku dobio Takaaki Kajita i Arthur B. McDonald.
Neutrini su dakle pomogli fizičarima da potvrde procese u unutrašnjosti Sunca, kao i točnost modela supernova. Namjera iza IceCubea bila je podići neutrinsku astronomiju na novu razinu, u nadi da neutrini mogu dati informacije o pojavama skrivenima iza oblaka prašine ili o objektima toliko dalekim da drugi oblici zračenja na putu nestaju. Cilj je bio steći spoznaje koje se inače ne mogu dobiti.
U odnosu na protone neutrini imaju prednost što nemaju električni naboj. Putanju nabijenih protona u svemiru mijenjaju magnetska polja, pa je nemoguće praćenjem njihove putanje utvrditi podrijetlo. No procesi koji ubrzavaju protone proizvode i neutrine, na koje magnetska polja ne utječu, pa se praćenjem putanje neutrina najveće energije može utvrditi i gdje se ubrzavaju protoni kozmičkog zračenja.
Što očekivati u budućnosti?
Jedan od važnih ciljeva sljedećeg razdoblja je određivanje pojedinih izvora međuzvjezdanih neutrina. IceCube je već identificirao nekoliko mogućih izvora, među kojima je i aktivna galaktika NGC 1068 (poznata i kao M77). Od neutrina koje je IceCube detektirao, 79 ih je prema svemu sudeći stiglo iz te galaktike. Taj dokaz, međutim, nije dovoljno čvrst da bi se NGC 1068 dokazano identificirala kao izvor neutrina. Što više neutrina senzori zabilježe, to je veća šansa da će se moći odrediti njihovo mjesto podrijetla.
Posljednjih godina istraživačima iza IceCubea uspjelo je promatrati i neutrine visoke energije koji stižu iz naše vlastite galaktike, Mliječne staze. Pretpostavlja se da nastaju kad se kozmičko zračenje sudari s atomima u rijetkom plinu među zvijezdama.
U nadolazećim ćemo godinama sigurno puno čuti o neutrinskoj astronomiji, jer i drugi slijede put koji su utrli tvorci IceCubea. Na sjevernoj polutki već je nekoliko drugih neutrinskih teleskopa u različitim fazama razvoja, ali oni rade u vodi umjesto u ledu. Projekt DUMAND, koji je nadahnuo Halzena osamdesetih, završio je 1995., ali njegove lekcije žive dalje u raznim drugim projektima, primjerice u zvjezdarnicama na jezeru Bajkal, u Sredozemnom moru, u Južnom kineskom moru i uz zapadnu obalu Kanade. IceCube pak i dalje radi, a trenutačno je u planu i njegovo proširenje.
Sljedeća generacija IceCubea bit će još nevjerojatnija, sastojat će se od osam kubičnih kilometara leda.
