A neutrínók az univerzum legszégyenlősebb részecskéi: nincs elektromos töltésük és tömegük is alig. Éppen ezért általában észrevétlenül haladnak át az anyagon, és csak ritkán jelzik jelenlétüket azzal, hogy ütköznek egy-egy atommaggal. Anélkül, hogy észrevennénk, másodpercenként 65 milliárd, a Napból származó neutrínó áramlik át a kisujjunk körmén. Neutrínók az űr más régióiból is érkeznek, és érdekes nyomokat hordoznak a kozmosz egyes rejtélyeivel kapcsolatban. Ha sikerül befogni ezeket a ritkább kozmikus neutrínókat, információkat nyerhetünk az univerzum azon szélsőséges környezeteiről, ahonnan származnak.
Francis Halzen még az 1980-as években rájött, hogy az antarktiszi jég ideális lehet ahhoz, hogy elegendő mennyiségben befogja ezeket a rejtőzködő neutrínókat, így a kutatók többet tudhatnak meg távoli forrásaikról.
Erről gyorsan meggyőzött másokat is, és 1992-ben egy kitartó kutatókból és mérnökökből álló csoport el is kezdte az első kísérleteket, amelyek keretében fénydetektorokat engedtek le a Déli-sarkon található egyik gleccserbe. Az áttörésre körülbelül húsz évet kellett várni: az IceCube neutrínóteleszkóp ekkor észlelt először olyan tulajdonságú neutrínókat, amelyek meggyőzték a kutatókat arról, hogy azok valóban az űr távoli régióiból származnak. Innentől pedig még nagyobb erővel kezdődhetett meg az univerzum neutrínóforrásainak felkutatása.
A részecskefizika találkozik az asztrofizikával
Halzen Belgiumban nőtt fel. Az 1960-as évekbeli fejlődés vonzotta a részecskefizika felé, és kezdetben a kvarkokból felépülő, nagy tömegű részecskékre koncentrált. Doktori fokozatának megszerzése után nem sokkal az Egyesült Államokban, a Wisconsin–Madison Egyetemen kezdett dolgozni. Időközben rájött, hogy milyen sokat tanulhat a részecskefizika az űrből hozzánk érkező részecskékből – és hogy az asztrofizika viszont profitálhat a részecskefizikából.
A neutrínók kutatásának hátterében teljesen más részecskék megfigyeléseiből fakadó motiváció áll. A kozmoszt folyamatosan átszelik azok a részecskék, amelyeket összefoglaló néven kozmikus sugárzásnak nevezünk. Ezek többsége proton, azaz a hidrogén „meztelen” atommagja. Az űrből érkező protonok néha elképesztően sok energiával érnek el hozzánk, amely messze meghaladja azt az energiát, amit a Földön egy részecskegyorsítóban lehetne nekik átadni.
A legnagyobb energiájú kozmikus sugárzás eredete sokáig az univerzum egyik legnagyobb titka volt. Mivel a fizika szerint azok a folyamatok, amelyek a protonokat nagy energiára gyorsítják, nagy energiájú neutrínókat is létrehoznak, a neutrínók döntő fontosságú nyomokat kínálhatnak ezekről a kozmikus részecskegyorsítókról. Aki sikeresen azonosítja a hatalmas mennyiségű energiát hordozó neutrínókat, meg tudja különböztetni őket a jelentősen alacsonyabb energiájú neutrínóktól, amelyek radioaktív anyagok bomlásából, illetve a Napból származnak, vagy akkor keletkeznek, amikor a kozmikus sugárzás eléri a Föld légkörét.
Azok a neutrínók, amelyek nem a környezetünkből származnak, biztosan valahonnan nagyon-nagyon messziről érkeznek – talán olyan régiókban zajló heves folyamatokból, ahol csillagok robbantak fel, vagy távoli aktív galaxisokból.
Villanások a jégben
Az 1980-as években, amikor Halzen már kozmikus részecskékkel foglalkozott, hallott róla, hogy szovjet kutatók rádióvevők segítségével neutrínójelek rögzítését tervezik az Antarktiszon. Az elképzelés az volt, hogy amikor egy neutrínó a jégben lévő egyik atommaggal ütközik, elektromos szikra képződik, amely rádióhullámot generál. Ha ez elég erős, rádióantennával befogható lehet. Halzent ez inspirálta, és rájött, hogy egy másik potenciális megoldás lehetne, ha fénydetektorokat helyeznének el a gleccserjégben, és közvetlenül keresnék az ütközésekből származó fényvillanásokat.
Korábban, 1960 körül, több fizikus is felvetette, hogy a víz jó anyag lehet az űrből érkező neutrínók észlelésére. Azokban a ritka esetekben, amikor egy neutrínó egy atommaggal ütközik, töltéssel rendelkező részecske keletkezik Ez azután az eredeti neutrínóval megegyező irányba halad, és kék fényt bocsát ki. Mivel a víz átlátszó, ez a fény észlelhető. Megfelelő berendezés használatával meg lehet határozni a fény útjának irányát, sőt azt is, hogy honnan érkezett a neutrínó. A legfontosabb feltétel az volt, hogy elegendő mennyiségű víz álljon rendelkezésre, hogy több neutrínóütközés nyomait is meg lehessen figyelni.
Halzen ötlete az volt, hogy víz helyett természetes jégtömböket használ.
Kapcsolatba lépett kutatókollégájával, John G. Learneddel, aki a DUMAND-projektben dolgozott. Ez egy hasonló kezdeményezés volt, azzal a céllal, hogy a Hawaii partjainál található mély, tiszta óceánvízben rögzítse a neutrínók fényjeleit. A fizikusok közösen megvitatták az Antarktiszon történő neutrínódetektálással járó lehetőségeket és kihívásokat. Először 1988-ban, egy lengyelországi konferencián mutatták be a Déli-sark jegében létesítendő neutrínóobszervatóriumra vonatkozó koncepciójukat.
Neutrínó-teleszkóp a Déli-sarkon
Francis Halzen rájött, hogy számos előnye lehet annak, ha a neutrínóobszervatóriumot a földrajzi Déli-sarkon helyezik el: ott már működött eddigre egy kutatóállomás, ahová rendszeresen szállítottak utánpótlást, és minden szükséges feltétel adott volt a csapat munkájához.
A jég mint anyag is számos előnyt kínált. Elég nagy mélységben állandó a sötétség. Az óceánnal ellentétben nincs zavaró hatás az élőlények részéről, és a radioaktív anyagok szintje is alacsony. A jég stabil, és szilárd felületet biztosít a létesítményben dolgozók számára. A terület geológiailag stabil, földrengések nem fordulnak elő. Hátrány viszont, hogy a hideg miatt az év nagy részében lehetetlen a Déli-sarkra utazni vagy onnan távozni. Minden gyakorlati munkát az antarktiszi nyár rövid időszakában, november és február között kell elvégezni.
Eleinte Halzen beérte az elméleti munkával, míg Learned a saját projektjével volt elfoglalva, és soha többé nem tért vissza a Déli-sarkon történő neutrínóbefogással kapcsolatos elméletükhöz. A történet itt véget is érhetett volna – de a koncepció olyan nagy érdeklődést keltett, hogy néhány éven belül más intézmények kutatói gyűltek Halzen köré, hogy megvalósítsák az Antarktiszon létrehozandó neutrínó-megfigyelőállomásról szóló elképzelését.
Ehhez először is meg kellett oldaniuk egy sor gyakorlati problémát, ami a műszerek jég mélyén való elhelyezésével járt. A gleccserkutatóktól megtudták, hogy kilométer mély lyukakat lehet fúrni egyfajta kifinomult zuhanyfej segítségével, amely forró vízzel olvasztja meg a jeget. Ezután egy fényérzékelőkből álló hosszú kábelt lehet leereszteni a vízzel teli lyukba.
Halzen ezeket az érzékelőket fordított villanykörteként írja le – a műszer befogja a fényt, majd azt elektromos jellé alakítja át.
Bosszantó buborékok
A kutatócsoport először Grönlandon tesztelte az érzékelők jégbe süllyesztését, hogy ellenőrizzék, képesek-e ezek regisztrálni a jégben lévő részecskék által kibocsátott fényt. Ezután megkezdték az első neutrínóobszervatórium építését a Déli-sarkon, az IceCube elődjét: ez volt az AMANDA.
Halzen elmondása szerint 1993 karácsony estéjén a számítógépét az ölében tartva ült az asztalnál, és arra várt, hogy megérkezzen az üzenet, amely megerősíti: az első, optikai modulokkal ellátott kábelt bejuttatták a jégbe. Amikor ez megtörtént, ki is derültek az első problémák. A jég felső rétege tele volt buborékokkal, amelyek a fényt különböző irányokba szórták, és elmosódottá tették a részecskék mozgására vonatkozó információkat, így a legelső kísérletek csalódást okoztak.
Kiderült azonban, hogy 1400 méteres mélység alatt a jég rendkívül tiszta és átlátszó. Ott a neutrínókból származó fényvillanások 300 métert is megtettek, mielőtt elnyelődtek volna, ami sokkal messzebb volt, mint amit bárki is várt.
A neutrínóprojekt egyik mellékterméke, hogy a kutatók sokat tanultak a jég tulajdonságairól különböző mélységekben.
Az AMANDA építése 2000 januárjáig tartott. Minden a tervek szerint működött, de a rendszer nem volt teljesen alkalmas a kozmikus részecskegyorsítókból származó, nagy energiájú neutrínók észlelésére. Nagyobb térfogatra volt szükség, ezért megkezdődött az IceCube kialakítása – egy köbkilométernyi, fényérzékelőkkel felszerelt jégtéré. Az IceCube 2011-ben érte el teljes méretét, 86 kábelre elosztott 5160 fénydetektorral. Az évek során Halzen továbbra is aktív katalizátorként működött, először az AMANDA, később pedig az IceCube kapcsán. Elkötelezett és lelkes vezető kutatóként az ötlet stádiumától a teljes körű mérésekig és a tudományos eredményekig kísérte ezeket a projekteket.
Egy olyan neutrínóobszervatórium, mint az IceCube, nem csupán a kutatók által keresett neutrínókat érzékeli. Ezeket a kozmikus neutrínókat a Föld légkörébe belépő kozmikus sugárzás által okozott háttérjelek közepette kell kimutatni. E részecskék egy része behatolhat a felszín alatt 1450–2450 méter között elhelyezkedő érzékelőkig. Naponta több mint százmillió ilyen részecskét regisztrálnak az Antarktisz feletti légkörban. A kozmikus sugárzás a légkörben is neutrínókat hoz létre, amelyek közül naponta néhány száz éri el az IceCube-ot, miután az északi félteke felől áthaladt a Földön.
A kozmikus neutrínók megtalálásához a kutatóknak azonosítaniuk kell azokat az eseményeket, amelyek során a neutrínók kölcsönhatásba léptek a jéggel. Még akkor is, ha nem lehetnek teljesen biztosak abban, hogy egy adott neutrínó a Földön kívülről származik, áttekintik az összes kiválasztott eseményt, és megvizsgálják, hogy összességében jellemzőik megfelelnek-e a kozmikus neutrínóktól várt tulajdonságoknak, és eltérnek-e a légköri neutrínóktól.
2013-ban jelentették be az első bizonyítékokat arra, hogy valóban kozmikus neutrínókat találtak, és pár évvel később már annyi adatot gyűjtöttek, hogy biztosak lehettek ezek felfedezésében.
Mire jók az univerzum neutrínói?
A neutrínócsillagászat kis léptékben már az 1960-as években elkezdődött, amikor Raymond Davis Jr. megfigyelte a Napból érkező neutrínókat. Ezt megerősítette a japán Kamiokande neutrínóobszervatórium kutatócsoportja is, Masatoshi Koshiba vezetésével, mivel sikerült meghatározniuk a neutrínók pályáját és visszakövetniük eredetüket. 1987-ben a Kamiokande egy olyan neutrínóesőt rögzített, amelyet összefüggésbe hoztak egy felrobbanó csillaggal, egy szupernóvával a szomszédos Nagy Magellán-felhőben. Ezt a felfedezést hamarosan az Egyesült Államokban és a Szovjetunióban egyidejűleg végzett neutrínómérések egészítették ki.
Raymond Davis Jr. és Masatoshi Koshiba ezekért az áttörő eredményekért 2002-ben elnyerték a fizikai Nobel-díjat, amiért igazolták, hogy a neutrínók felhasználhatók az űrben zajló jelenségek tanulmányozására.
Egy probléma azonban továbbra is fennállt: a Raymond Davis Jr. által észlelt neutrínók száma csupán a Napban várhatóan lejátszódó reakciók számításai alapján előre jelzett mennyiség harmadát tette ki. Kiderült, hogy ennek oka a háromféle neutrínótípus létezéséhez köthető. A fizikusok rájöttek, hogy a neutrínók alakot válthatnak, így egy bizonyos típusúként keletkező neutrínó egy másik típusúként érkezhet meg egy földi műszerhez, és ezeknek az átalakult neutrínóknak a megfigyeléséhez más technikára volt szükség, mint amit Raymond Davis Jr. alkalmazott.
A neutrínók változékony természetét japán és kanadai kísérletek tárták fel, és e felfedezésért 2015-ben Takaaki Kajita és Arthur B. McDonald fizikai Nobel-díjat kapott.
A neutrínók tehát segítettek a fizikusoknak megerősíteni a Nap belsejében zajló folyamatokat, valamint a szupernóvákra vonatkozó modellek pontosságát. Az IceCube mögött az volt a szándék, hogy új szintre emelje a neutrínócsillagászatot, abban a reményben, hogy a neutrínók információt nyújthatnak a porfelhők mögött rejtőző jelenségekről, vagy olyan objektumokról, amelyek annyira távoliak, hogy más sugárzási formák útközben eltűnnek. A cél olyan ismeretek megszerzése volt, amelyek más módon nem érhetők el.
A protonokhoz képest a neutrínóknak az az előnyük, hogy nincsenek elektromos töltésük. A töltött protonok pályáját az űrben a mágneses mezők módosítják, így lehetetlen a pályájuk visszakövetésével megállapítani eredetüket. Azonban a protonokat gyorsító folyamatok neutrínókat is termelnek, amelyeket a mágneses mezők nem befolyásolnak, így a legnagyobb energiájú neutrínók pályáját visszakövetve az is megállapítható, hol gyorsulnak fel a kozmikus sugárzás protonjai.
Mi várható a jövőben?
A következő időszak egyik fontos célja a csillagközi neutrínók egyes forrásainak meghatározása. Az IceCube néhány lehetséges forrást már azonosított is, amelyek közül az egyik egy aktív galaxis, az NGC 1068 (más néven M77). Az IceCube által detektált neutrínók közül 79 a jelek szerint ebből a galaxisból érkezett. Ez a bizonyíték azonban nem elég szilárd ahhoz, hogy az NGC 1068-at bizonyítottan neutrínóforrásként azonosítsák. Minél több neutrínót rögzítenek az érzékelők, annál nagyobb az esély arra, hogy meg lehet határozni a származási helyüket.
Az elmúlt években az IceCube mögött álló kutatóknak sikerült megfigyelniük a saját galaxisunkból, a Tejútrendszerből érkező nagy energiájú neutrínókat is. Feltételezik, hogy ezek akkor keletkeznek, amikor a kozmikus sugárzás a csillagok közötti ritka gázban található atomokkal ütközik.
Az elkövetkező években biztosan sokat fogunk hallani a neutrínócsillagászatról, mivel mások is követik az IceCube kiötlői által kitaposott utat. Az északi féltekén már több más neutrínóteleszkóp is különböző fejlesztési fázisokban van, de ezek jég helyett vízben működnek. A Halzent 1980-as években inspiráló DUMAND-projekt ugyan 1995-ben véget ért, de tanulságai tovább élnek különböző más projektekben, például a Bajkál-tóban, a Földközi-tengeren, a Dél-kínai-tengeren és Kanada nyugati partjainál található obszervatóriumokban. Ugyanakkor az IceCube továbbra is működik, és jelenleg tervben van a bővítése is.
Az IceCube következő generációja még elképesztőbb, nyolc köbkilométernyi jégből fog állni.
