Nobel z fizyki 2026 dla teleskopu zakopanego 2 km pod lodem bieguna południowego

Najpotężniejsze akceleratory cząstek we wszechświecie nie znajdują się na Ziemi i przez dekady nikt nie umiał powiedzieć, gdzie są. Francis Halzen wyruszył na ich poszukiwanie do kilometra sześciennego lodu pod biegunem południowym, oplecionego tysiącami czujników świetlnych, by złapać najbardziej nieuchwytne cząstki w fizyce. Królewska Szwedzka Akademia Nauk przyznała mu właśnie Nagrodę Nobla z fizyki za ten detektor i za to, co nim odkryto – i nie musi się nią dzielić z nikim.

Detektor nosi nazwę IceCube i to on pochwycił pierwsze wysokoenergetyczne neutrina pochodzące spoza Układu Słonecznego. Neutrina nie mają ładunku elektrycznego i prawie nie posiadają masy, a około 65 miliardów z nich, przybywających ze Słońca, przechodzi co sekundę przez twój mały paznokieć, nie dotykając ani jednego atomu. Ponieważ lecą po liniach prostych i przelatują przez pył, gaz i pola magnetyczne, te rzadkie, kosmiczne, wskazują na gwałtowne miejsca, w których się narodziły. To czyni z nich nowy rodzaj teleskopu – taki, który potrafi zaglądać w rejony, skąd światło nie może uciec.

Halzen, urodzony w Belgii fizyk z University of Wisconsin–Madison, został uhonorowany „za decydujący wkład w budowę Obserwatorium Neutrinowego IceCube oraz za odkrycie wysokoenergetycznych neutrin pochodzenia astrofizycznego”. Jest pierwszą osobą od 34 lat, która zdobywa Nagrodę Nobla z fizyki samodzielnie, i zatrzymuje całe 12 milionów koron szwedzkich. „Francis Halzen poprowadził międzynarodowy zespół badaczy i inżynierów, którzy dostarczyli nam fantastycznego instrumentu. Jego wytrwałość i wizja naukowa utorowały drogę nowemu rodzajowi astronomii” – powiedział Mark Pearce, przewodniczący Komitetu Noblowskiego ds. Fizyki.

Po co ci lodowiec, żeby znaleźć kosmiczny akcelerator

Kosmos jest przecinany przez promieniowanie kosmiczne, głównie nagie protony, a niektóre z nich docierają z energiami nawet milion razy wyższymi, niż może osiągnąć jakiekolwiek laboratorium na Ziemi. Coś tam, w przestrzeni, je przyspiesza – być może eksplodujące gwiazdy lub dżety supermasywnych czarnych dziur. Protony nie mogą zdradzić sprawcy, bo pola magnetyczne wyginają ich tory w drodze tutaj, więc zanim uderzą w naszą atmosferę, ich kierunek nic już nie znaczy.

Te same procesy, które przyspieszają protony, powinny również wytwarzać neutrina, a pola magnetyczne ich nie odchylają. Haczyk polega na tym, że neutrina prawie nigdy nie wchodzą w interakcje z niczym. W rzadkich przypadkach, gdy jedno z nich uderzy w jądro atomowe, powstaje naładowana cząstka, która pędzi przez materiał i emituje słabą niebieską poświatę. W przezroczystym ośrodku czujniki mogą zarejestrować ten błysk i odtworzyć, skąd neutrino przyszło. Kosmiczne neutrina są tak rzadkie, że potrzeba ogromnej przezroczystej objętości, by złapać choć garstkę.

Pomysłem Halzena było to, że antarktyczna pokrywa lodowa już jest taką objętością. Na dużych głębokościach jest trwale ciemna, wolna od żywych organizmów zakłócających detektory oceaniczne, ma niską radioaktywność i jest stabilna geologicznie – nie ma tam trzęsień ziemi.

Jak to zrobili

Plan wydawał się niewykonalny. Zespoły musiały stopić otwory głębsze niż kilometr za pomocą wiertła gorącą wodą, które działa jak wyszukana słuchawka prysznicowa, a potem opuścić kable z nawleczonymi czujnikami świetlnymi do wody, zanim ponownie zamarzła. Halzen opisuje każdy czujnik jako żarówkę w odwrotnej roli: pobiera światło i zamienia je na sygnał elektryczny. Cała konstrukcja musiała zmieścić się w krótkim antarktycznym lecie między listopadem a lutym.

Pierwsza próba – mniejsza sieć o nazwie AMANDA – o mało nie pogrzebała pomysłu. Na głębokości, na której umieszczono pierwsze czujniki, lód był pełen maleńkich pęcherzyków powietrza, które rozpraszały światło we wszystkie strony, przez co błysk tracił kierunek w pół metra. Głębiej obraz zmienił się całkowicie. Poniżej około 1400 metrów lód okazał się tak czysty, że światło ze zderzenia neutrina mogło przebyć 300 metrów – o wiele dalej, niż ktokolwiek oczekiwał.

IceCube wykorzystał tę lekcję na większą skalę. Jego 86 kabli wisi między 1450 a 2450 metrów pod powierzchnią, w odstępach co 125 metrów, każdy niosący 60 czujników rozmieszczonych co 17 metrów – w sumie 5160 czujników. Sześcienny kilometr oprzyrządowanego lodu waży około miliarda ton. Obserwatorium jest zarządzane przez amerykańską National Science Foundation i prowadzone przez kolaborację około 450 osób z 58 instytucji w 14 krajach.

Błyski, które to udowodniły

Większość tego, co widzi IceCube, to szum. Ponad 100 milionów mionów wytworzonych przez promienie kosmiczne w atmosferze nad Antarktydą dociera co dnia do czujników, a kilkaset neutrin wytworzonych w atmosferze po drugiej stronie planety przybywa po przejściu przez całą Ziemię. Aby wyizolować sygnał kosmiczny, zespół traktuje zewnętrzną warstwę detektora jako osłonę antykoincydencyjną i zatrzymuje tylko neutrina, które włączają się wewnątrz rdzenia, z dala od krawędzi.

Pierwsze dwa przekonujące zdarzenia pojawiły się przypadkiem, podczas poszukiwania jeszcze bardziej energetycznych cząstek. Każde z nich odłożyło około jednego petaelektronowolta – tysiąca bilionów elektronowoltów – ponad sto razy więcej energii, niż Wielki Zderzacz Hadronów nadaje każdemu z protonów. Te dwa zdarzenia doprowadziły zespół do 28 wysokoenergetycznych neutrin w tych samych dwóch latach danych, a większa próbka później wykluczyła pochodzenie atmosferyczne na poziomie ufności statystycznej 5,7 sigma, powyżej progu 5 sigma, którego fizycy używają do ogłoszenia odkrycia.

Skok w stosunku do wcześniejszej astronomii neutrinowej jest ogromny. Neutrina, które przyniosły Nagrodę Nobla z fizyki Raymondowi Davisowi Jr. i Masatoshiemu Koshibie, pochodziły ze Słońca i z supernowej oddalonej o 160 000 lat świetlnych, przy energiach około miliarda razy niższych. Najbardziej energetyczne neutrino IceCube do tej pory niosło szacunkowo 11,4 petaelektronowolta.

Czego nagroda nie rozstrzyga

IceCube udowodnił, że istnieje stały strumień kosmicznych neutrin, ale nie wykazał, skąd pochodzi większość z nich. Najlepsi kandydaci pozostają kandydatami. Jedno neutrino przybyło z kierunku rozbłyskującego blazara o nazwie TXS 0506+056 – galaktyki, której czarna dziura wystrzeliwuje dżet w stronę Ziemi – a przeszukanie starszych danych ujawniło wcześniejszy wybuch z tego samego miejsca na poziomie 3,5 sigma, daleko poniżej siły wymaganej do odkrycia.

Najsilniejszym pojedynczym źródłem jest jak dotąd aktywna galaktyka NGC 1068, znana również jako M77, oddalona o 46 milionów lat świetlnych w gwiazdozbiorze Wieloryba. IceCube zliczył 79 neutrin z jej kierunku, na poziomie 4,2 sigma. Własny tekst tła Komitetu Noblowskiego stwierdza, że te dowody nie są jeszcze wystarczająco solidne, by uznać NGC 1068 za potwierdzone źródło.

Istnieje też kwestia autorstwa. IceCube jest dziełem setek naukowców i inżynierów, a Nagroda Nobla z fizyki może trafić tylko do osób fizycznych. Komitet wyróżnił Halzena jako osobę, która wymyśliła koncepcję, zaprojektowała go i kierowała nim jako główny badacz przez budowę i eksploatację.

Najczęstsze pytania o Nagrodę Nobla z fizyki 2026

Kto zdobył Nagrodę Nobla z fizyki w 2026 roku?

Francis Halzen z University of Wisconsin–Madison zdobył ją samodzielnie, za swoją decydującą rolę w budowie Obserwatorium Neutrinowego IceCube i za odkrycie wysokoenergetycznych neutrin z kosmosu. Urodził się w Tienen w Belgii i otrzymuje całe 12 milionów koron szwedzkich.

Czym jest neutrino?

Neutrino to subatomowa cząstka bez ładunku elektrycznego i o niemal zerowej masie. Oddziałuje tak słabo z materią, że miliardy z nich przechodzą przez twoje ciało co sekundę niezauważone.

Jak IceCube wykrywa neutrina?

Kiedy neutrino uderza w jądro atomowe w lodzie, powstaje naładowana cząstka, która emituje słabą niebieską poświatę podczas swojego biegu. Ponad 5000 czujników zakopanych na głębokości od 1450 do 2450 metrów rejestruje błysk, a wzór światła ujawnia energię i kierunek cząstki.

Po co budować teleskop neutrinowy na biegunie południowym?

Głęboki lód antarktyczny jest niezwykle czysty, trwale ciemny, wolny od organizmów żywych i stabilny geologicznie. Istniejąca stacja Amundsen-Scott South Pole Station zapewniła także logistykę, energię i personel potrzebne do wiercenia otworów i budowy detektora o średnicy kilometra.

Skąd pochodzą kosmiczne neutrina?

Nikt na razie nie wie tego na pewno. IceCube widział neutrina z płaszczyzny naszej własnej Drogi Mlecznej i wskazał na aktywną galaktykę NGC 1068 oraz blazar TXS 0506+056 jako prawdopodobne źródła, ale żadne z nich nie stanowi większości strumienia.

Kiedy to się wydarzyło i co dalej

Halzen i jego kolega John G. Learned po raz pierwszy przedstawili koncepcję bieguna południowego na konferencji w Polsce w 1988 roku. Halzen pamięta, jak w Wigilię 1993 roku czekał z komputerem na kolanach na wiadomość, że pierwszy kabel AMANDA znalazł się w lodzie. Amerykańska National Science Foundation zatwierdziła finansowanie IceCube w 2002 roku, detektor ukończono w 2011 roku, a pierwsze dowody na istnienie kosmicznych neutrin opublikowano w 2013 roku. Wysokoenergetyczne neutrina z Drogi Mlecznej nadeszły w 2023 roku.

Następcy już powstają: KM3NeT na Morzu Śródziemnym, Bajkał-GVD na jeziorze Bajkał, P-ONE u wybrzeży Wyspy Vancouver i TRIDENT na Morzu Południowochińskim. Na biegunie południowym rozpoczęto planowanie IceCube-Gen2, który miałby objąć około ośmiu kilometrów sześciennych lodu. Halzen otrzyma swój medal w Sztokholmie 10 grudnia.

Źródło: IceCube Collaboration, „Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector”, Science, 2013. DOI: 10.1126/science.1242856

Tagi: astronomia, Nagroda Nobla, IceCube, biegun południowy, fizyka, Francis Halzen