Fizikai Nobel-díj a Déli-sarkon létrehozott neutrínódetektorért

A részecskefizika, asztrofizika és kozmológia határvidékein dolgozó Francis Halzen a nyolcvanas években dolgozta ki elméletét, amely szerint a Déli-sark jege felhasználható a neutrínóként ismert kozmikus eredetű részecskék nyomon követésére.

Francis Halzen Ill. Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach

Az általa elindított AMANDA-projekt vezetett az IceCube Neutrínó Obszervatórium megalapításához, amelynek építése 2005-ben kezdődött. A köbkilométernyi jégből álló, fényérzékelőkkel felszerelt déli-sarki kutatóközpont segítségével az asztrofizikusok nagy energiájú kozmikus folyamatokból származó neutrínókat tudnak befogni.

A neutrínók olyan univerzális részecskék, amelyek mindenhol jelen vannak, áthaladnak a Földön és a testünkön anélkül, hogy észrevennénk őket. Nagyon ritkán fordul elő, hogy egyetlen neutrínó kölcsönhatásba lép egy atommaggal, megfelelő érzékenységű detektorokkal azonban lehetséges a megfigyelésük.

A tudósok régóta tudják, hogy a kozmoszban természetes részecskegyorsítók találhatók, amelyek akár milliószor nagyobb energiájú részecskéket lőnek ki, mint amilyeneket földi laboratóriumokban elő lehet állítani. Mik ezek a neutrínóforrások, hol vannak, és milyen fő folyamatok zajlanak bennük? A részecskefizikusok évtizedek óta keresik ezekre a kérdésekre a válaszokat.

A rendkívül nagy energiájú neutrínók ugyanabban a környezetben keletkeznek, mint amelyikben a más típusú részecskék. Ezekkel ellentétben azonban a neutrínók irányváltás vagy energiaveszteség nélkül érnek el minket. Ez azt jelenti, hogy olyan információkat tudnak szolgáltatni, amelyek más módon nem állnak rendelkezésre.

Francis Halzen először 1988-ban mutatta be a neutrínók befogására vonatkozó elképzelését a Déli-sarkon. Amikor egy neutrínó ütközik egy atommaggal, fényvillanást kelt, amelyet a tiszta gleccserjégbe helyezett érzékelők követni tudnak. Amikor a beérkező nagy energiájú neutrínó kölcsönhat a jéggel, a keletkezett másodlagos részecske elektronneutrínó esetén elektron, müonneutrínó esetén müon lesz. Az IceCube által detektált fényjelenség oka az, hogy ezek a másodlagos részecskék Cserenkov-fényt, vagyis nagy energiájú fotonokat sugároznak, mivel a terjedési sebességük nagyobb, mint a közegbeli fénysebesség. A Cserenkov-fényt a jelzett sebességgel közlekedő töltött részecskék bocsátják ki a terjedésük irányába. Ez a fény dominánsan ultraibolya fotonok és az elektromágneses sugárzás látható tartományából a kék színű fotonok árama.

Ezt a kékes színnel derengő fényt láthatjuk atomreaktorokban is. Az IceCube fényérzékeny digitális optikai moduljai a Cserenkov-fényt érzékelik. A neutrínóknak létezik egy harmadik ízük, vagyis típusuk is, a tau-neutrínó. Ezek az anyaggal való kölcsönhatásban tauont hoznak létre, ezt viszont még nem sikerült az IceCube-ban detektálni.

Maga a detektor 1450 méterrel a jégfelszín alatt kezdődik, ahol a vastag jég nyomása már eltüntette a jégbeli levegőzárványokat és egyéb szennyeződéseket. A mélybeli jég ezért igen nagy tisztaságú, ami a fényérzékelés pontossága, például a fényszórás minimalizása miatt fontos. Az 1 km élhosszúságú „jégkocka” 2450 méterrel a jégfelszín alatt ér véget.

Forrás: Ilya Bodo, IceCube / NSF

A Déli-sark jegének számos előnye van, mivel mentes a különféle interferenciáktól, és a terület geológiailag stabil, nem veszélyeztetik földrengések a kísérleteket. Halzen ötlete hamar elnyerte más kutatók támogatását is, és néhány évvel később már sor is került az előzetes tesztekre a déli-sarki jégbe fúrt érzékelőkön.

Mivel a rendkívül nagy energiájú kozmikus neutrínók nagyon ritkák, hatalmas mennyiségű jégre van szükség ahhoz, hogy megfelelő számú ütközést meg lehessen figyelni. A 2011-ben elkészült IceCube Neutrínó Obszervatórium egy teljes köbkilométernyi jég fölött kezdett üzemelni, és Halzen csapata hamarosan fel is fedezte az első nagy energiájú neutrínókat, néhány évvel később pedig publikálták a Naprendszerünkön kívülről származó neutrínókról szóló felfedezésüket.

Úttörő asztrofizikai kutatásuk, amelyet most a fizikai Nobel-díj odaítélésével jutalmazott a Svéd Királyi Tudományos Akadémia, lehetővé tette az univerzum neutrínóforrásainak minden korábbinál sikeresebb felkutatását.

Az IceCube által folyamatosan gyűjtött neutrínó-kölcsönhatások új ismeretekkel szolgálhatnak azokról az extrém asztrofizikai folyamatokról is, amelyek során nagy energiájú neutrínók keletkezhetnek – sőt, akár korábban ismeretlen kozmikus jelenségeket is feltárhatnak.

„Francis Halzen egy olyan nemzetközi kutatókból és mérnökökből álló csapatot vezetett, mely fantasztikus műszert biztosított számunkra. Kitartása és tudományos látásmódja utat nyitott egy újfajta csillagászat előtt” – méltatta Mark Pearce, a Fizikai Nobel-bizottság elnöke Halzen munkásságát.

Francis Halzen 1944-ben született a belgiumi Tienenben. 1969-ben doktorált a belgiumi Louvain Egyetemen, dolgozott a CERN-ben is, 1972 óta a Wisconsin–Madisoni Egyetem (USA) részecskefizikus-professzora.

A kémiai Nobel-díj idei nyerteseiről szerdán szavaz a bizottság. A tudományos díjak után csütörtökön az irodalmi Nobel-díjat, pénteken a Nobel-békedíjat, jövő héten hétfőn pedig a svéd jegybank által alapított közgazdasági Nobel-emlékdíjat elnyerők nevét hozzák nyilvánosságra.

Idén 125 éve, hogy a 19. századi svéd üzletember végrendelete alapján alapított Nobel-díjakat először odaítélték. A díj honlapja (nobelprize.org) szerint 1901 óta 633 díjat ítéltek oda, és összesen 990 személy és 28 szervezet vehette át az elismerést. A 2026-os Nobel-díj összege díjkategóriánként 12 millió svéd korona (körülbelül 388 millió forint). A díjakat hagyományosan az elismerést alapító Alfred Nobel halálának évfordulóján, december 10-én adják át a svéd fővárosban.