Nobelovu nagradu za fiziku za 2026. godinu dobio je belgijsko-američki fizičar Francis Halzen, znanstvenik koji je prije nekoliko desetljeća predložio naizgled nevjerojatnu ideju: pretvoriti golemi komad antarktičkog leda u detektor čestica iz dubokog svemira. Njegova vizija na kraju je dovela do izgradnje opservatorija IceCube Neutrino, jednog od najneobičnijih znanstvenih instrumenata na svijetu, ukopanog duboko ispod površine Južnog pola. Kraljevska švedska akademija znanosti nagradila je Halzena za njegov odlučujući doprinos tom projektu i za otkriće visokoenergetskih neutrina astrofizičkog podrijetla.
Kako stvar funkcionira?
Pomoću posebnih bušilica s toplom vodom probili su led i spustili 5160 digitalnih optičkih modula na dubinu između 1450 i 2450 metara. Ukupni troškovi iznosili su 279 milijuna USD, a glavni financijer bila je američka Nacionalna zaklada za znanost.
Led na toj dubini iznimno je čist i pod velikim pritiskom, što znači da u njemu nema mjehurića zraka koji bi ometali mjerenja. Debeli sloj leda iznad detektora istovremeno služi kao štit od radijacije s površine Zemlje. Kada neutrini prođu kroz taj led i sudare se s atomima, nastaju sekundarne čestice koje putuju brže od svjetlosti u ledu.
Taj proces stvara plavkastu svjetlost poznatu kao Čerenkovljevo zračenje. Optički moduli hvataju te slabe bljeskove, a snažna računala na površini odmah analiziraju podatke kako bi odredila točan smjer i energiju neutrina.
Halzen, profesor na američkom Sveučilištu Wisconsin–Madison, desetljećima se bavi neutrinima, gotovo neuhvatljivim elementarnim česticama koje kroz materiju prolaze gotovo bez ikakve interakcije. Upravo zbog toga svake sekunde goleme količine neutrina prolaze kroz Zemlju, zgrade, pa i ljudsko tijelo, a da ih ne osjećamo niti primjećujemo. Njihovo otkrivanje zato predstavlja jedan od najvećih tehničkih izazova moderne fizike. No upravo ta osobina čini ih iznimno vrijednima za astronomiju jer, za razliku od mnogih drugih čestica, mogu stići iz najudaljenijih i najburnijih dijelova svemira gotovo nepromijenjeni.
Tisuće senzora pod ledom
Kako piše Le Figaro, Halzen je nagrađen upravo za rad na golemom detektoru čestica na Južnom polu, projektu kojim je led Antarktike pretvoren u svojevrsni teleskop za promatranje svemira. Ideja se temelji na vrlo rijetkim sudarima neutrina s atomskim jezgrama u ledu. Kada do takve interakcije ipak dođe, nastaje bljesak svjetlosti koji mogu zabilježiti iznimno osjetljivi senzori. Tisuće takvih senzora raspoređene su duboko ispod antarktičke površine, na prostoru koji obuhvaća približno kubični kilometar leda.
Francis Halzen i opservatorij na Južnom polu
Rezultat je IceCube Neutrino Observatory, golemi instrument smješten kod američke istraživačke postaje Amundsen–Scott. Njegovi detektori omogućili su znanstvenicima da zabilježe neutrine čija energija daleko nadmašuje onu koju je moguće proizvesti u zemaljskim laboratorijima. Takve čestice nastaju u nekima od najekstremnijih procesa u svemiru, među ostalim u okolini supermasivnih crnih rupa, pri eksplozijama zvijezda i drugim silovitim kozmičkim događajima. Njihovo otkrivanje omogućilo je astronomima potpuno nov način promatranja svemira.
Neutrini su gotovo bez mase i nemaju električni naboj, zbog čega mogu putovati kroz svemir bez skretanja u magnetskim poljima. Oni dolaze iz supermasivnih crnih rupa, aktivnih galaksija i eksplozija zvijezda. Projekt IceCube uspio je otkriti izvore visokoenergetskih kozmičkih neutrina, poput blazara TXS 0506+056, što je označilo veliku prekretnicu u modernoj astronomiji.
Halzenova zamisao nije od početka nailazila na opće oduševljenje. Još tijekom 1980-ih počeo je zagovarati mogućnost korištenja prirodnog leda kao golemog detektora, u vrijeme kada je takav projekt mnogima djelovao previše ambiciozno. Prednost Južnog pola bila je u iznimno čistom i prozirnom ledu, ali za izgradnju opservatorija trebalo je probušiti kilometre duboke otvore te u njih spustiti tisuće optičkih senzora. Projekt je na kraju postao međunarodni znanstveni pothvat, a IceCube je dovršen početkom prošlog desetljeća.
Nobelova nagrada za Halzena
Pravi rezultat stigao je kada je IceCube počeo bilježiti neutrine koji nisu nastali u Zemljinoj atmosferi nego su do našeg planeta stigli iz svemira. Time je otvoreno novo područje takozvane neutrinske astronomije. Umjesto da promatraju svemir samo pomoću vidljive svjetlosti, radiovalova, rendgenskog ili gama-zračenja, znanstvenici su dobili još jednoga kozmičkog glasnika koji može otkriti što se događa u područjima koja su tradicionalnim teleskopima teško dostupna.
Posebna vrijednost neutrina jest u tome što ih na putu kroz svemir gotovo ništa ne može zaustaviti. Električki nisu nabijeni, pa ih magnetska polja ne skreću s putanje. Ako znanstvenici utvrde iz kojeg je smjera neutrino stigao, mogu pokušati rekonstruirati i njegov izvor. IceCube je tako povezan s istraživanjem udaljenih aktivnih galaksija i drugih objekata sposobnih ubrzati čestice do nezamislivo visokih energija. Upravo zato Nobelov odbor Halzenov doprinos smatra temeljem novog načina istraživanja svemira.
IceCube opservatorij
Le Figaro ističe upravo neobičnu prirodu Halzenova postignuća: umjesto klasičnog teleskopa pod kupolom, njegov najvažniji instrument nalazi se u antarktičkom ledu, tisućama kilometara od većine svjetskih laboratorija. IceCube se danas može promatrati kao golema kamera zakopana u ledu koja čeka rijetke tragove čestica pristiglih iz najudaljenijih dijelova svemira.
Francis Halzen rođen je 1944. godine u Belgiji, a profesionalnu karijeru izgradio je u Sjedinjenim Državama. Danas ima 82 godine i profesor je na Sveučilištu Wisconsin-Madison, instituciji koja ima vodeću ulogu u projektu IceCube. Nobelovu nagradu za fiziku ove godine dobio je samostalno, uz novčanu nagradu od 12 milijuna švedskih kruna, odnosno približno 1,2 milijuna američkih dolara.
Nagrada će mu biti službeno uručena 10. prosinca u Stockholmu, na obljetnicu smrti Alfreda Nobela. No važniji dio priznanja odnosi se na ono što je Halzenov projekt već promijenio: astronomi više ne moraju promatrati svemir samo kroz svjetlost koja do nas dolazi. Mogu ga „slušati“ i kroz gotovo nevidljive čestice koje bez zapreke prolaze kroz planete, zvijezde i ljudska tijela. A za njihovo hvatanje pokazalo se dovoljnim jedno od najhladnijih i najnepristupačnijih mjesta na Zemlji - led duboko ispod Južnog pola.
Tim sada intenzivno priprema još ambiciozniji plan pod nazivom IceCube-Gen2. Taj budući projekt povećat će volumen mjerenja čak osam puta i omogućiti stručnjacima bilježenje do deset puta više kozmičkih neutrina svake godine.
