Orjaški detektor miniaturnih delcev

Francis Halzen, Balzanov nagrajenec 2015
Vodja projekta IceCube na južnem tečaju, največjega detektorja nevtrinov na svetu

Objavljeno
24. december 2015 13.08
Milan Ilić
Milan Ilić
Francis Halzen se je proslavil z »ledeno kocko« – dobesedno. Po njegovi zamisli so ustvarili IceCube, največji detektor nevtrinov na svetu. IceCube zavzema kubični kilometer ledu, ki leži miljo globoko pod ledom na južnem tečaju. Z njim zaznavajo interakcije nevtrinov, ki prihajajo iz daljnega vesolja in nastajajo v silovitih jedrskih reakcijah, dogodkih, kot so eksplozije zvezd, preboji sevanja gama ter kataklizmični pojavi črnih lukenj in nevtronskih zvezd.

IceCube je močna naprava za iskanje temne snovi, saj lahko pripomore k odkrivanju fizikalnih procesov, povezanih z zapletenim naravnim izhodiščem visokoenergijskih delcev. Ko detektor proučuje nevtrine, ki nastajajo v ozračju, lahko pomaga tudi k boljšemu razumevanju samih nevtrinov, katerih energija močno presega tisto, ki jo ustvarjajo največji pospeševalniki delcev, kar jih je naredil človek – denimo tisti v Cernu, poudarja Halzen.

Vesolje vsebuje neizmerno obilje nevtrinov in nešteto milijard jih nenehno prehaja skozi Zemljo (in naše telo), kljub temu pa so bila opazovanja nevtrinov doslej redka, in to iz cele vrste razlogov: ti delci, manjši od atoma (prvi jih je leta 1930 postuliral Wolfgang Pauli, znanstveno ime pa jim je leta 1932 dal Enrico Fermi), so električno nevtralni, imajo izredno majhno maso mirovanja, poleg tega pa je zelo malo verjetno, da bi prišlo do trčenja z normalno materijo. »Te lastnosti, združene v enem delcu, so dovolj, da spravijo ob pamet znanstvenike, ki se ukvarjajo z eksperimentiranjem,« poudarja Jason Koskinen z univerze v Københavnu, eden Halznovih sodelavcev pri projektu IceCube.

Poleg tega da je glavni raziskovalec pri projektu IceCube, je Francis Halzen tudi redni profesor na ameriški univerzi Wisconsin. Rodil se je leta 1944 v Belgiji, a je danes ameriški državljan. Na začetku 70. let je po končanem študiju in opravljenem doktoratu na univerzi Leuven krajši čas delal v Cernu, leta 1972 pa je odšel na univerzo Wisconsin. Od leta 1987 je sodeloval pri poskusu Amanda, prvi generaciji teleskopov za opazovanje nevtrinov na južnem tečaju. »Opazovanja, ki jih je omogočila Amanda, so bila potrditev zasnove IceCube,« pravi danes Halzen.

Za opazovanje prvih kozmičnih nevtrinov (ki niso iz naše galaksije) je leta 2013 dobil nagrado breakthrough of the year award, ki jo podeljuje revija Physics World. Leto pozneje mu je fundacija Smithsonian podelila american ingenuity award, Ameriško fizikalno društvo pa priznanje highlights od the year. »Pravi znanstveniki bi se z znanostjo ukvarjali, tudi če za to ne bi bili plačani in če jim ne bi podeljevali nagrad, kljub temu pa moram priznati, da zelo cenim to nagrado,« je Halzen povedal v zveznem parlamentu v Bernu, tik preden so mu novembra letos izročili Balzanovo nagrado za leto 2015. Z njim smo se v Bernu pogovarjali nekaj ur pred slovesno podelitvijo nagrade, vredne 750.000 švicarskih frankov.

Profesor Halzen, če bi mi še pred nekaj leti kdo omenil IceCube, bi naprej pomislil na priljubljenega ameriškega glasbenika in igralca.

Da, on je prvi na vrsti, če v Googlu vpišete IceCube; toda zdaj smo tam zanj že postali resna konkurenca.

Ste se povezali z njim, da bi vam pomagal pri publiciteti?

Ne, nismo, a morda to niti ni tako slaba zamisel. Imamo pa stike z glasbeno skupino The Neutrinos. Z njimi smo si izmenjali majice.

Detektor IceCube ne stane malo, stoji pa dobesedno na koncu sveta. Zdaj bi ga radi močno povečali. Kako potencialnim finančnikom pojasnite pomen takšnega znanstvenega podviga?

Preprost odgovor se glasi, da smo z manjšimi detektorji dokazali, da lahko lovimo nevtrine iz virov, ki so od nas bolj oddaljeni kakor Sonce, pri čemer pa je Sonce prav tako vir nevtrinov. Glavna ideja je, da se ukvarjamo z astronomijo na področju, ki se ga ta znanost doslej ni lotevala. Če začnete pri elektromagnetnem spektru, so se astronomi gibali med radijskimi signali in visokoenergijskimi žarki gama. Nato pa pridete do valovnih dolžin, manjših od 10-14 centimetra, in ugotovite, da tam ni bilo astronomije. Z nevtrini smo se začeli ukvarjati z namenom, da se razvije astronomija na teh zelo majhnih valovnih dolžinah. Gre za visokoenergijske delce z zelo majhno valovno dolžino.

Že 103 leta vemo za kozmično sevanje, toda astronomije ne morete razvijati na kozmičnih žarkih, ker ne veste, od kod prihajajo. Vedeli smo, da obstajajo v vesolju pospeševalniki, kakršen je veliki hadronski trkalnik, pa tudi veliko veliko večji. Vidimo akcelerirane delce in se sprašujemo: Kako narava ustvarja takšne pospeševalnike? Narava tega verjetno ne počne na enak način kot mi; kot se zdi, se to zgodi v njenih črnih luknjah. Če opazujete nebo na ustrezni valovni dolžini, je to tisto, kar boste videli.

Na kratko povedano, še nikoli mi niso v niti enem odboru dejali, da to, kar počnem, ni zanimivo. Vsi so se vedno strinjali, da moramo to delo nadaljevati. Seveda pa so nas spraševali, ali vemo, kako bomo proučevali delce na tako majhnih valovnih dolžinah.

Ste imeli jasno idejo, da morate kot detektor uporabiti vodo?

Ideja o uporabi vode je dokaj stara. To ni bila naša izvirna ideja. Prvi so jo predstavili Rusi, še v času Sovjetske zveze. Z detektorjem so hoteli odkriti nevtrine v Bajkalskem jezeru, a tisto je bil zelo majhen detektor. Tudi vsi preostali manjši detektorji, kakršen je Kamioka [v nekdanjem rudniku na Japonskem], niso odkrili kozmičnih nevtrinov, zato smo se vprašali, kako velik detektor bi potrebovali za njihovo odkrivanje. In smo ugotovili, da jih lahko odkrijemo, če izdelamo detektor v antarktičnem ledu v kocki, veliki en kubični kilometer. Seveda pa v astronomiji in znanosti nasploh potrebujete več rezultatov in več statistike. Zato je naš naslednji logični korak vzpostavitev desetkrat večjega detektorja z desetkrat več instrumenti.

Samo desetkrat večji? Če kocko, veliko kubični kilometer, povečate na deset kubičnih kilometrov ...?

Ne, prav v tem je poanta! Strune z detektorji – vsaka struna ima po 60 detektorjev – smo spuščali v led v razmikih 125 metrov. Zdaj ko nam je jasna izredna optika ledu, smo ugotovili, da je lahko razmik med detektorji 250, morda celo 300 metrov. Z inštrumentarijem, s katerim smo napolnili kilometrsko kocko ledu, lahko napolnimo tudi tisto, ki bo velika deset kubičnih kilometrov. Le instrumente bomo razpostavili nekoliko bolj na široko.

Od kod prihajajo nevtrini, ki jih opažate v IceCubu?

Zdaj vidimo sto tisoč nevtrinov na leto. Torej približno enega vsakih šest minut. Prihajajo na dva načina. Če, denimo, odkrijete delec, ki je prišel skozi Zemljo, je to nevtrin. Drugi način je, da opazujete nevtrine, ki so naredili interakcijo znotraj detektorja. Če pride do njihove interakcije v detektorju, vidite, da so tukaj pustili svojo energijo. In nato lahko izmerimo raven energije. Ozračje lahko prideluje nevtrine zgolj do določene energijske ravni. Če opazite nevtrine, ki imajo stokrat večjo energijo, je jasno, da niso nastali v ozračju. Poleg tega so atmosferski nevtrini komponentni – opažamo jih tudi skupaj z drugimi delci. V nasprotju z njimi so tisti, ki prihajajo z območij zunaj ozračja, popolnoma izolirani in niso ustvarjeni skupaj s kakšno drugo stvarjo v ozračju. Tudi to lahko preverimo.

Kaj nameravate storiti, ko boste imeli večji detektor in boste odkrivali bistveno več nevtrinov?

Trenutno zelo hitro napredujemo. Naša prednostna naloga je zbrati čim več podatkov, da bi imeli čim bolj obsežno statistiko. V igri je tudi proučevanje korelacije fotonov in nevtrinov. Najvznemirljive pa bi bilo ugotoviti, od kod prihajajo nevtrini, tako da bi odkrili njihove pospeševalnike in jih začeli proučevati. Prevladuje mnenje, in takšnega mnenja sem tudi jaz, da je vir nevtrinov in kozmičnega sevanja določena aktivna galaksija. Obstajajo galaksije, ki imajo tisočkrat in milijonkrat večjo maso črne luknje od tiste v naši galaksiji. Takšne luknje imenujemo aktivne luknje. Te ustvarjajo snope delcev. Obstaja cela vrsta takšnih črnih lukenj, iz katerih so ti snopi usmerjeni proti Zemlji. To bi lahko dokazali. Če to ni pravi odgovor, potem je njihovo poreklo terra incognita.

Koliko denarja, časa in koliko ljudi potrebujete za postavitev desetkilometrskega IceCuba?

Ne bo stal veliko več kot prvi: od sto do 150 milijonov dolarjev. Po standardih fizike delcev smo poceni. Vrtanje je kompleksen podvig, a ni pretirano drago. Seveda bomo morali premeščati opremo na večje oddaljenosti kot pri prvem IceCubu. Delali bomo z dvema vrtalnima opremama. Celotno delo bi lahko končali v približno šestih letih. Ne vem natančno, koliko ljudi bi potrebovali za postavitev detektorja. Za sedanjega smo imeli v nekaterih obdobjih na južnem tečaju od 40 do 50 ljudi. Tudi v prihodnje bomo morali delati s približno toliko ljudmi, kajti na južnem tečaju jih ni mogoče hkrati namestiti na stotine.

Novih mladih sodelavcev vam gotovo ni težko najti.

Ne, to pa res ne! Nikakršnih težav nimamo s pridobivanjem najboljših študentov. Glede tega imamo veliko srečo: neverjetno je, koliko študentov se zanima za naš projekt. Mnogi si seveda želijo, da bi nekaj časa bivali na južnem tečaju, a tako ne gre. Naši poskusi zdaj potekajo podobno kakor poskusi s sateliti – ni potrebna osebna navzočnost na kraju samem. Edini ljudje tam doli so tisti, ki nameščajo računalnike. Ko gre za ljudi, ki jih pošiljamo na južni tečaj, moramo biti zelo selektivni. Kljub vsemu pa so študentje, ki prihajajo, da bi sodelovali pri našem projektu, v resnici fantastični.

Kako bi za sklep na kratko opisali pionirsko vlogo projekta IceCube?

IceCube je začetek nevtrinske astronomije. Pogosto omenjam podobnost z Janskym. Karl Jansky je na začetku 30. let prejšnjega stoletja odkril radijske valove iz vesolja in tako odločilno spodbudil razvoj radioastronomije. Ko je izdelal svojo veliko anteno, ni vedel, kaj bo oziroma kaj vse bo odkril. Takrat ni mogel nihče predvideti, da bomo imeli osem desetletij pozneje več sto ogromnih radiodetektorjev po vsem planetu. Potem ko je Jansky objavil svoje delo, ga tri leta ni nihče citiral. Pa poglejte, kaj vse je medtem storila radioastronomija!

Vam zagotovo ni bilo treba tako dolgo čakati, da bi drugi opazili, kaj delate.

Hm, očitno smo bili pri tem veliko bolj uspešni! V dveh letih so nas citirali v tisoč znanstvenih delih.