5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o kosmicznych neutrinach

Jak na enigmatycznych i niemal niewidzialnych gości, neutrina potrafią narobić sporo szumu. Już dwukrotnie były przedmiotem badań nagradzanych Nagrodą Nobla, a obecnie są na dobrej drodze do zmiany naszego spojrzenia na wszechświat.

1. Detektor neutrin to Kostka Lodu

Nawet jeśli nie śledzisz z zainteresowaniem wieści ze świata fizyki cząstek elementarnych, prawdopodobnie słyszałeś niejedną ciekawostkę na temat neutrin. Jak choćby tą mówiącą, że w każdej sekundzie przez całe Twoje ciało przelatuje biliony neutrin, nie pozostawiając po sobie najmniejszego śladu. Astronom Roopesh Ojha obrazowo nazwał te drobiny “snobami wszechświata”, z uwagi na ignorowanie przez nie każdej napotkanej przeszkody.

Detektor neutrin IceCube
Detektor neutrin IceCube Neutrino Observatory.
Detektory IceCube wewnątrz lodowca

W rzeczy samej, neutrina bardzo niechętnie wchodzą w interakcję z czymkolwiek. Nie dość, że olewają oddziaływanie elektromagnetyczne, to jeszcze ich masa jest tak maleńka, że do niedawna zastanawiano się czy w ogóle ją posiadają. Z tego też powodu detekcja neutrin należy do największych wyzwań współczesnej nauki, wymagając ogromu pracy i potężnych kompleksów badawczych. Najsłynniejszym tego typu obserwatorium pozostaje japońskie Super-Kamiokande, które walnie przyczyniło się do weryfikacji hipotezy o oscylacji neutrin. Inne zaawansowane neutrinowe ustrojstwo to położne na Antarktydzie IceCube Neutrino Observatory – czy mówiąc po naszemu Kostka Lodu. Dlaczego na lokalizację obserwatorium wybrano akurat pustkowie w sąsiedztwie bieguna południowego? Zasadniczo współczesne detektory wcale nie rejestrują samych neutrin, lecz monitorują wielkie skupiska materii z nadzieją na wychwycenie śladu interakcji atomów z którymś z biliardów przelatujących neutrin. Takie spotkanie wywołuje “błyski”, zgodne z mechanizmem promieniowania Czerenkowa – i właśnie to zdarzenie ma za zadanie dostrzec jeden z tysięcy czujników obserwatorium. Tak działa Super-Kamiokande, gdzie uczeni obserwują wielki podziemny basen, jak również IceCube, gdzie aparatura poluje na ślady neutrin penetrujących materię lodowca. Swoją drogą, takie obserwatoria mają niesłychany rozmach. Na Antarktydzie fizycy trzymają pod lupą pole o powierzchni kilometra kwadratowego, z czujnikami umieszczonymi w odwiertach na głębokości nawet dwóch kilometrów pod powierzchnią lodowca.

Niebagatelną zaletą położenia Kostki Lodu jest również swego rodzaju radiacyjna sterylność, zapewniana przez odległość sprzętu od sztucznych źródeł promieniowania. 

2. Dotąd łapaliśmy głównie neutrina słoneczne

Na jednym z polskich portali ujrzałem wczoraj nagłówek: “Naukowcy zaobserwowali nieuchwytną cząstkę – neutrino. Rozwikłano 100-letnią zagadkę”. Niezła, dobrze brzmiąca, chwytliwa bzdura. W rzeczywistości najbardziej ulotny element modelu standardowego – będący efektem ubocznym niektórych reakcji rozpadu – był rejestrowany przez uczonych już na przełomie lat 50. i 60. ubiegłego stulecia. Z kolei od lat 80. intensyfikowano wysiłki mające na celu wyłapywanie neutrin powstających poza naszą planetą (czego owocem jest m.in. wspomniany detektor Super-Kamiokande). Przełom nastąpił za sprawą Masatoshiego Koshiby i nieżyjącego już Raymonda Davisa, którzy dopracowali metodę rejestrowania neutrin na tyle, aby dało się wyodrębnić te o pochodzeniu kosmicznym.

Neutrina słoneczne

Musisz wiedzieć, że neutrina to tak naprawdę bardzo pospolite drobiny, a trudności eksperymentatorów wynikają wyłącznie z ich widmowej charakterystyki. Wszystkie gwiazdy oraz inne emanujące energią obiekty, poza światłem o różnej długości fali, bez przerwy miotają we wszystkie strony niekończącymi się strumieniami neutrin. Dotyczy to również naszego Słońca. Co zabawne, przeciętny foton może spędzić długi czas na próbach ucieczki z głębi gwiazdy, wchodząc po drodze w niezliczoną liczbę interakcji z napotkanymi cząstkami. Powstające w tym samym piekle słoneczne neutrina, niemal od razu i bez skrępowania wyskakują w kosmos, ignorując wszelkie przeszkody.

W tej sekundzie przez Twój paznokieć mogło przefrunąć nawet 100 milionów takich gałganów – licząc tylko tych pochodzących z naszej gwiazdy. 

3. Neutrino przebyło 4 mld lat świetlnych

Odkrycie dokonane w IceCube we wrześniu 2017 roku, a opisane ostatnio w czasopiśmie Science, dotyczy kosmicznego neutrina w pełnym rozumieniu tego słowa. Nie tylko pochodzi ono spoza Ziemi i spoza Układu Słonecznego (takie też już udawało się upolować), ale daleko spoza Drogi Mlecznej! Jego źródłem jest centrum galaktyki aktywnej oddalonej od nas o 4 miliardy lat świetlnych. Szczególne wrażenie robi energia niesiona przez rekordowe neutrino: około 300 TeV, czyli 300 bilionów elektronowoltów. Dla porównania, Ernest Rutherford w swoim doświadczeniu dowodzącym istnienie jądra atomowego, ostrzeliwał złotą folię cząstkami z energią w granicach kilku MeV (milionów elektronowoltów), zaś akcelerator LHC zderza hadrony z mocą niecałych 10 TeV – co wystarczyło chociażby dla odkrycia bozonu Higgsa.

Zdarzenie zarejestrowane na Antarktydzie oznaczono jako IceCube-170922A. Kosmiczne neutrino wpadło z impetem w lodowiec, wywołując niedostrzegalny dla ludzkiego oka błysk. Ten został wychwycony przez detektor umieszczony w jednym z 86 odwiertów, co automatycznie uruchomiło alarm. Dzięki temu, astronomowie mogli niemal natychmiast wycelować dostępne im teleskopy i radioteleskopy w kierunku, z którego nadleciała drobina. Kluczowe okazało się orbitalne obserwatorium GLAST (ang. Fermi Gamma-ray Space Telescope), wyposażone w detektor promieniowania gamma. Zestawiając raporty detektora IceCube z danymi zbieranymi przez GLAST, uczeni szybko powiązali nadpobudliwe neutrino z nagłym mignięciem promieni gamma w konstelacji Oriona, oddalonym – wnioskując po przesunięciu ku czerwieni – o około 4 miliardy lat świetlnych.

Trudno mówić o szoku, ponieważ teoria od dawien dawna zakładała wyrzuty wysokoenergetycznych neutrin przez najbardziej aktywne zjawiska we wszechświecie. Jednak dopiero po raz pierwszy udało się nam takiego kosmicznego podróżnika uchwycić i powiązać z konkretnym obiektem.

4. TXS 0506+056 to blazar

Naturalne jest pytanie o rodowód turboneutrina IceCube-170922A. To kolejna interesująca kwestia, bowiem wiele wskazuje na to, iż cząstka została wyemitowana przez przedstawiciela bardzo słabo poznanej klasy obiektów, zwanych blazarami. Cóż to za nowe diabelstwo? Jeśli zdarza Ci się czasem poczytać o astrofizyce, bardzo prawdopodobne, że słyszałeś podobnie brzmiący termin – kwazar. Jest to rodzaj bardzo żywiołowej galaktyki, zawierającej w swym jądrze nienasyconą supermasywną czarną dziurę oraz duże zasoby wpadającej doń materii. Według niektórych hipotez każda lub większość galaktyk (w tym Droga Mleczna) wiodła na pewnym etapie żywot kwazara, który przechodził w stan uśpienia po wyczerpaniu przez jego centralną czarną dziurę dostępnego paliwa.

Dżet blazara może nieść kosmiczne neutrina

Współczesna kosmologia zakłada istnienie całej gamy obiektów spokrewnionych z kwazarami, klasyfikowanych jako AGN, czyli galaktyki z aktywnymi jądrami. Jednym z przedstawicieli tej rodziny jest właśnie blazar. Podobnie do klasycznego kwazara, blazary również skrywają w swoich wnętrzach nienasycone supermasywne potwory. Różnica sprowadza się do tego, że aktywność ma charakter skokowy, zaś ich czarne dziury wyrzucają w przestrzeń zjawiskowe strumienie cząstek i promieniowania, niemal dokładnie wycelowane w naszą planetę. Oczywiście, jeśli obserwujemy taki blazar ze śmiercionośnym dżetem wycelowanym prosto w nas, widzimy go jako znacznie jaśniejszy, co niewątpliwie pomaga w badaniach. Członkowie ekip IceCube i GLAST są przekonani, że złapane neutrino mogło powstać w dysku akrecyjnym otaczającym czarną dziurę i zostać wystrzelone w naszym kierunku jako pasażer takiego dżetu.

Obiekt TXS 0506+056 – skąd najpewniej nadleciała cząstka – jest obecnie jednym z zaledwie kilku kandydatów na członka elitarnego grona blazarów.

5. To może być początek astronomii neutrinowej

Nieuchwytność, czyli to co najbardziej drażni badaczy w neutrinach, w innym kontekście może okazać się niezrównaną zaletą. Klasyczna astronomia opiera się na świetle widzialnym odbieranym przez standardowe teleskopy. Posługujemy się również całą gamą urządzeń zdolnych do wypatrywania sygnałów w zakresie fal radiowych, podczerwieni, a nawet promieni gamma (jak przywoływany GLAST). Jednak koniec końców, wszystkie te obserwatoria polegają na fali elektromagnetycznej różnego rodzaju. Plusy? Otrzymujemy informację z maksymalną możliwą prędkością, czyli prędkością światła. Minusy? Jak wspomniałem przy okazji akapitu o neutrinach słonecznych, fotony bardzo chętnie wchodzą w interakcję z każdą napotkaną przeszkodą, co w pewnych sytuacjach ogranicza nasze możliwości badawcze. Trudno w ten sposób analizować na bieżąco chociażby zjawiska zachodzące głęboko w jądrze gwiazdy. A gdybyśmy posiadali doskonałe czujniki neutrin, pozwalające astronomom na zarysowanie swego rodzaju fotografii? Uzyskalibyśmy niepowtarzalną szansę bezpośredniej obserwacji serca gwiazdy, galaktyki, kwazara i właściwie każdego obiektu emitującego duże ilości energii. Zdarzenie IceCube-170922A, można traktować jako zapowiedź narodzin astronomii neutrinowej, podobnie jak interferometry LIGO, dają nadzieję na rozwój astronomii opartej o detekcję fal grawitacyjnych.

Mikrofalowe promieniowanie tła
Zdjęcie wykonane przez WMAP, ukazujące młody wszechświat widziany w zakresie światła mikrofalowego. Różnice temperatur są mniejsze niż setne części stopnia.

Wykorzystanie potencjału neutrin, pozwoliłoby nam również zweryfikować wiele tez na temat genezy i wczesnego okresu istnienia całego wszechświata. Współcześnie za jeden z najcenniejszych reliktów wielkiego wybuchu uważa się mikrofalowe promieniowanie tła (CMB). To prastare fotony, na podstawie których sonda WMAP naszkicowała mapę rozkładu energii we wczesnym wszechświecie. Istnieje tu jednak pewien haczyk, o którym mnóstwo ludzi zapomina: światło CMB wcale nie zostało wyemitowane w samych początkach narodzin wszechświata! Nie wdając się w szczegóły, zaraz po wielkim wybuchu kosmos wypełniała nieprzejrzysta zupa rozdygotanych cząstek, będąca zwyczajnie zbyt gęsta aby fotony zdołały się przebić. Dopiero po upływie około 380 tysięcy lat, jądra atomowe wyłapały elektrony zmniejszając ścisk i uwalniając pierwsze w pełni swobodne światło, które po ponad 13 miliardach lat obserwujemy jako słabiutkie mikrofale.

Jak pewnie się domyślasz, to czego nie potrafiły dokonać fotony, mogło udać się neutrinom. Istnieje spora szansa, że obok resztkowego promieniowania elektromagnetycznego, współczesną przestrzeń przemierzają również reliktowe neutrina – pierwsi uciekinierzy z przedwiecznego piekła. Kosmologowie marzą o tym, aby w przyszłości stworzyć nową, neutrinową mapę niemowlęcego wszechświata, pokonując obserwacyjną cezurę 380 tys. lat. Kto wie, może nasze pokolenie tego doczeka?

Literatura uzupełniająca:
Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert, [online: http://science.sciencemag.org/content/sci/early/2018/07/11/science.aat2890.full.pdf];
D. Clery, Ghostly particle caught in polar ice ushers in new way to look at the universe, [online: www.sciencemag.org/news/2018/07/ghostly-particle-caught-polar-ice-ushers-new-way-look-universe];
S. Blau, IceCube pinpoints an extragalactic neutrino source, [online: https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20180712a/full/];
D. Goldsmith, N. DeGrasse Tyson, Wielki początek. 14 miliardów lat kosmicznej ewolucji, Warszawa 2007.
Najgenialniejszy samouk w dziejach – Srinivasa Ramanujan 2, 3, 4, 5… 11! Niezwykłe perypetie mózgu Alberta Einsteina