Neutrína sú najplachejšie častice vo vesmíre: nemajú elektrický náboj a ich hmotnosť je nepatrná. Práve preto zvyčajne prechádzajú hmotou bez povšimnutia a svoju prítomnosť prezradia len zriedka, keď sa zrazia s niektorým atómovým jadrom. Každú sekundu preletí nechtom nášho malíčka 65 miliárd neutrín zo Slnka bez toho, aby sme si to všimli. Neutrína k nám prichádzajú aj z iných oblastí vesmíru a prinášajú zaujímavé indície o niektorých jeho záhadách. Ak sa nám podarí zachytiť tieto vzácnejšie kozmické neutrína, môžeme získať informácie o extrémnych prostrediach vo vesmíre, z ktorých pochádzajú.
Francis Halzen si už v 80. rokoch minulého storočia uvedomil, že antarktický ľad by mohol byť ideálnym prostredím na zachytenie dostatočného množstva týchto nepolapiteľných neutrín. Vedci by sa tak mohli dozvedieť viac o ich vzdialených zdrojoch.
O tejto myšlienke rýchlo presvedčil aj ďalších a v roku 1992 skupina vytrvalých vedcov a inžinierov začala s prvými experimentmi, pri ktorých spúšťali detektory svetla do jedného z ľadovcov na južnom póle. Na prelom si museli počkať približne dvadsať rokov: neutrínový teleskop IceCube vtedy po prvý raz zaznamenal neutrína s vlastnosťami, ktoré vedcov presvedčili, že skutočne pochádzajú zo vzdialených oblastí vesmíru. Od tej chvíle sa mohlo ešte intenzívnejšie rozbehnúť pátranie po zdrojoch neutrín vo vesmíre.
Časticová fyzika sa stretáva s astrofyzikou
Halzen vyrastal v Belgicku. K časticovej fyzike ho pritiahol rozvoj tohto odboru v 60. rokoch a spočiatku sa sústredil na ťažké častice zložené z kvarkov. Krátko po získaní doktorátu začal pracovať v Spojených štátoch na Wisconsinskej univerzite v Madisone. Medzitým si uvedomil, koľko sa môže časticová fyzika naučiť z častíc, ktoré k nám prichádzajú z vesmíru, a ako môže zase astrofyzika ťažiť z poznatkov časticovej fyziky.
Podnet na skúmanie neutrín vzišiel z pozorovaní úplne iných častíc. Vesmírom neustále prelietajú častice, ktoré súhrnne označujeme ako kozmické žiarenie. Väčšinu z nich tvoria protóny, teda „holé“ jadrá atómov vodíka. Protóny z vesmíru k nám niekedy dorazia s neuveriteľne vysokou energiou, ktorá výrazne prevyšuje energiu, akú by sme im dokázali dodať v časticovom urýchľovači na Zemi.
Pôvod kozmického žiarenia s najvyššími energiami bol dlho jednou z najväčších záhad vesmíru. Fyzika hovorí, že procesy, ktoré urýchľujú protóny na vysoké energie, vytvárajú aj vysokoenergetické neutrína. Tie preto môžu poskytnúť rozhodujúce indície o týchto kozmických urýchľovačoch častíc. Ak sa podarí identifikovať neutrína nesúce obrovské množstvo energie, možno ich odlíšiť od neutrín s podstatne nižšími energiami, ktoré vznikajú pri rozpade rádioaktívnych látok, pochádzajú zo Slnka alebo sa tvoria pri dopade kozmického žiarenia na zemskú atmosféru.
Neutrína, ktoré nepochádzajú z nášho okolia, k nám určite prilietajú z obrovských diaľok – možno z búrlivých procesov v oblastiach, kde vybuchli hviezdy, alebo zo vzdialených aktívnych galaxií.
Záblesky v ľade
V 80. rokoch, keď sa Halzen už venoval kozmickým časticiam, sa dopočul, že sovietski vedci plánujú v Antarktíde zaznamenávať neutrínové signály pomocou rádiových prijímačov. Ich predstava bola taká, že pri zrážke neutrína s atómovým jadrom v ľade vznikne elektrická iskra, ktorá vytvorí rádiovú vlnu. Ak bude dostatočne silná, dala by sa zachytiť rádiovou anténou. Halzena to inšpirovalo a uvedomil si, že ďalším možným riešením by bolo umiestniť do ľadovcového ľadu detektory svetla a priamo pátrať po svetelných zábleskoch vznikajúcich pri zrážkach.
Už skôr, okolo roku 1960, viacerí fyzici navrhli, že vhodným prostredím na detekciu neutrín z vesmíru by mohla byť voda. V zriedkavých prípadoch, keď sa neutríno zrazí s atómovým jadrom, vznikne elektricky nabitá častica. Tá potom pokračuje rovnakým smerom ako pôvodné neutríno a vyžaruje modré svetlo. Keďže voda je priehľadná, toto svetlo možno zaznamenať. Pomocou vhodného zariadenia sa dá určiť smer jeho šírenia a dokonca aj to, odkiaľ neutríno priletelo. Najdôležitejšou podmienkou bolo mať k dispozícii dostatočné množstvo vody, aby bolo možné pozorovať stopy viacerých zrážok neutrín.
Halzen prišiel s nápadom použiť namiesto vody prírodné masy ľadu.
Skontaktoval sa so svojím vedeckým kolegom Johnom G. Learnedom, ktorý pracoval na projekte DUMAND. Išlo o podobnú iniciatívu s cieľom zaznamenávať svetelné signály neutrín v hlbokej a čistej oceánskej vode pri pobreží Havaja. Fyzici spoločne diskutovali o možnostiach a výzvach spojených s detekciou neutrín v Antarktíde. Svoju koncepciu neutrínového observatória v ľade na južnom póle prvýkrát predstavili v roku 1988 na konferencii v Poľsku.
Neutrínový teleskop na južnom póle
Francis Halzen si uvedomil, že umiestnenie neutrínového observatória na geografickom južnom póle môže mať viacero výhod: v tom čase tam už fungovala pravidelne zásobovaná výskumná stanica a boli tam všetky potrebné podmienky na prácu výskumníkov.
Mnohé výhody ponúkal aj samotný ľad. V dostatočnej hĺbke je neustále tma. Na rozdiel od oceánu tam merania nerušia živé organizmy a nízky je aj obsah rádioaktívnych látok. Ľad je stabilný a pracovníkom zariadenia poskytuje pevný povrch. Oblasť je geologicky stabilná a nevyskytujú sa tam zemetrasenia. Nevýhodou však je, že pre chlad sa počas väčšiny roka nedá na južný pól pricestovať ani z neho odísť. Všetky práce na mieste sa musia vykonať počas krátkeho antarktického leta, od novembra do februára.
Halzen sa spočiatku uspokojil s teoretickou prácou, zatiaľ čo Learned sa venoval vlastnému projektu a k ich teórii o zachytávaní neutrín na južnom póle sa už nikdy nevrátil. Príbeh sa tu mohol skončiť, no koncepcia vzbudila taký veľký záujem, že v priebehu niekoľkých rokov sa okolo Halzena zhromaždili vedci z ďalších inštitúcií, aby jeho predstavu neutrínovej pozorovacej stanice v Antarktíde uskutočnili.
Najskôr však museli vyriešiť celý rad praktických problémov spojených s umiestnením prístrojov hlboko do ľadu. Od glaciológov sa dozvedeli, že pomocou akejsi sofistikovanej sprchovej hlavice, ktorá horúcou vodou roztápa ľad, možno vyvŕtať kilometrové vrty. Do vrtu naplneného vodou sa potom dá spustiť dlhý kábel so svetelnými snímačmi.
Halzen tieto snímače prirovnáva k žiarovkám fungujúcim naopak – prístroj zachytí svetlo a premení ho na elektrický signál.
Problematické bubliny
Výskumníci najskôr otestovali zapúšťanie snímačov do ľadu v Grónsku, aby overili, či dokážu zaznamenať svetlo vyžarované časticami v ľade. Potom začali na južnom póle budovať prvé neutrínové observatórium, predchodcu IceCube s názvom AMANDA.
Halzen spomína, ako na Štedrý večer v roku 1993 sedel pri stole s počítačom na kolenách a čakal na správu, ktorá mala potvrdiť, že prvý kábel s optickými modulmi sa podarilo spustiť do ľadu. Keď sa tak stalo, ukázali sa aj prvé problémy. Vrchná vrstva ľadu bola plná bublín, ktoré rozptyľovali svetlo rôznymi smermi a skresľovali informácie o pohybe častíc. Úplne prvé experimenty preto priniesli sklamanie.
Ukázalo sa však, že pod hĺbkou 1.400 metrov je ľad mimoriadne čistý a priehľadný. Svetlo z neutrínových zábleskov tam pred pohltením prekonalo až 300 metrov, teda oveľa viac, než ktokoľvek očakával.
Jedným z vedľajších prínosov neutrínového projektu je, že vedci získali množstvo poznatkov o vlastnostiach ľadu v rôznych hĺbkach.
Výstavba observatória AMANDA trvala do januára 2000. Všetko fungovalo podľa plánu, systém však nebol úplne vhodný na detekciu vysokoenergetických neutrín z kozmických urýchľovačov častíc. Potrebný bol väčší objem, a tak sa začalo budovanie IceCube – kubického kilometra ľadu vybaveného svetelnými snímačmi. IceCube dosiahol svoju plnú veľkosť v roku 2011 a tvorilo ho 5.160 detektorov svetla rozmiestnených na 86 kábloch. Halzen zostával počas celých rokov hnacou silou najskôr projektu AMANDA a neskôr aj IceCube. Ako zanietený a nadšený vedecký vedúci sprevádzal tieto projekty od prvotného nápadu až po merania v plnom rozsahu a vedecké výsledky.
Neutrínové observatórium, akým je IceCube, nezaznamenáva iba neutrína, po ktorých vedci pátrajú. Tieto kozmické neutrína treba odhaliť v záplave signálov pozadia spôsobených kozmickým žiarením vstupujúcim do zemskej atmosféry. Niektoré z týchto častíc dokážu preniknúť až k snímačom umiestneným v hĺbke 1.450 až 2.450 metrov pod povrchom. Denne sa zaznamená vyše sto miliónov takýchto častíc z atmosféry nad Antarktídou. Kozmické žiarenie vytvára v atmosfére aj neutrína. Niekoľko stoviek z nich denne dorazí k IceCube po tom, čo zo severnej pologule preletia naprieč Zemou.
Aby vedci našli kozmické neutrína, musia identifikovať udalosti, pri ktorých neutrína interagovali s ľadom. Aj keď si pri konkrétnom neutríne nemôžu byť úplne istí, že pochádza z prostredia mimo Zeme, preskúmajú všetky vybrané udalosti. Zisťujú pritom, či ich vlastnosti ako celok zodpovedajú tomu, čo očakávajú od kozmických neutrín, a či sa líšia od vlastností atmosférických neutrín.
V roku 2013 oznámili prvé dôkazy, že skutočne našli kozmické neutrína. O niekoľko rokov neskôr už zhromaždili dostatok údajov na to, aby si ich objavom mohli byť istí.
Na čo sú nám neutrína z vesmíru?
Neutrínová astronómia sa v malom rozsahu začala rozvíjať už v 60. rokoch, keď Raymond Davis Jr. pozoroval neutrína zo Slnka. Tieto pozorovania potvrdili aj vedci z japonského neutrínového observatória Kamiokande pod vedením Masatoshiho Koshibu, ktorým sa podarilo určiť dráhy neutrín a spätne vystopovať ich pôvod. V roku 1987 zaznamenalo Kamiokande spŕšku neutrín, ktorú spojili s explóziou hviezdy, supernovy v susednom Veľkom Magellanovom oblaku. Tento objav čoskoro doplnili súbežné merania neutrín v Spojených štátoch a Sovietskom zväze.
Raymond Davis Jr. a Masatoshi Koshiba získali za tieto prelomové výsledky v roku 2002 Nobelovu cenu za fyziku. Dokázali totiž, že neutrína možno využiť na skúmanie javov vo vesmíre.
Jeden problém však pretrvával: počet neutrín, ktoré zaznamenal Raymond Davis Jr., predstavoval iba tretinu množstva predpovedaného výpočtami reakcií, ktoré by mali prebiehať v Slnku. Ukázalo sa, že príčina súvisí s existenciou troch typov neutrín. Fyzici zistili, že neutrína môžu meniť svoj typ, takže neutríno, ktoré vznikne ako jeden typ, môže k pozemskému prístroju doraziť ako iný. Na pozorovanie týchto premenených neutrín bola potrebná iná metóda, než akú používal Raymond Davis Jr.
Premenlivú povahu neutrín odhalili experimenty v Japonsku a Kanade. Za tento objav získali v roku 2015 Nobelovu cenu za fyziku Takaaki Kajita a Arthur B. McDonald.
Neutrína teda fyzikom pomohli potvrdiť procesy prebiehajúce vo vnútri Slnka aj správnosť modelov supernov. Zámerom IceCube bolo posunúť neutrínovú astronómiu na novú úroveň. Vedci dúfali, že neutrína prinesú informácie o javoch ukrytých za oblakmi prachu alebo o objektoch, ktoré sú také vzdialené, že iné formy žiarenia sa cestou stratia. Cieľom bolo získať poznatky, ku ktorým sa iným spôsobom dostať nedá.
V porovnaní s protónmi majú neutrína výhodu v tom, že nemajú elektrický náboj. Dráhy nabitých protónov vo vesmíre menia magnetické polia, a preto nemožno spätným sledovaním ich dráhy určiť, odkiaľ pochádzajú. Procesy urýchľujúce protóny však vytvárajú aj neutrína, na ktoré magnetické polia nepôsobia. Spätným sledovaním dráh neutrín s najvyššími energiami tak možno zistiť aj to, kde sa urýchľujú protóny kozmického žiarenia.
Čo prinesie budúcnosť?
Jedným z dôležitých cieľov na najbližšie obdobie je určiť jednotlivé zdroje medzihviezdnych neutrín. IceCube už identifikoval niekoľko možných zdrojov a jedným z nich je aktívna galaxia NGC 1068, známa aj ako M77. Zo zachytených neutrín ich podľa všetkého 79 priletelo práve z tejto galaxie. Tento dôkaz však nie je dostatočne presvedčivý na to, aby bolo možné NGC 1068 označiť za potvrdený zdroj neutrín. Čím viac neutrín snímače zaznamenajú, tým väčšia je šanca, že sa podarí určiť miesto ich pôvodu.
V posledných rokoch sa vedcom pracujúcim na IceCube podarilo pozorovať aj vysokoenergetické neutrína z našej vlastnej galaxie, Mliečnej cesty. Predpokladajú, že vznikajú pri zrážkach kozmického žiarenia s atómami riedkeho plynu medzi hviezdami.
V nasledujúcich rokoch budeme o neutrínovej astronómii určite veľa počuť, pretože cestou, ktorú otvorili tvorcovia IceCube, sa vydávajú aj ďalší. Na severnej pologuli je už v rôznych fázach vývoja niekoľko ďalších neutrínových teleskopov, ktoré však namiesto ľadu využívajú vodu. Projekt DUMAND, ktorý Halzena inšpiroval v 80. rokoch, sa síce v roku 1995 skončil, jeho skúsenosti však ďalej slúžia iným projektom. Patria medzi ne observatóriá v Bajkalskom jazere, Stredozemnom mori, Juhočínskom mori a pri západnom pobreží Kanady. IceCube medzitým naďalej funguje a v súčasnosti sa plánuje aj jeho rozšírenie.
Ďalšia generácia IceCube bude ešte pôsobivejšia: bude zahŕňať osem kubických kilometrov ľadu.
