Nobel z fizyki dla badaczy neutrin

Takaaki Kajita i Arthur B. McDonald zdobyli tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie oscylacji neutrin, co dowodzi, że te cząstki elementarne mają masę - ogłosił we wtorek w Sztokholmie Komitet Noblowski.

- To odkrycie zmieniło nasze rozumienie najgłębszych tajników materii i może się okazać kluczowe dla naszego pojmowania Wszechświata - uzasadnił swoją decyzję Komitet.

Japończyk Takaaki Kajita (ur. 1959) i Kanadyjczyk Arthur B. McDonald (ur. 1943 r.) podzielą się po równo kwotą 8 mln koron szwedzkich (ok. 855 tys. euro). Kajita pracuje na Uniwersytecie Tokijskim, a McDonald jest emerytowanym profesorem na Uniwersytecie Queen's w Kingston (Kanada).

Neutrina to cząstki elementarne, które są niemal nie do powstrzymania - potrafią przenikać przez nasze ciała, ziemię, skały, wodę. Są obojętne elektrycznie i słabo oddziałują z materią, dlatego ich badanie jest niezwykle trudne.

Oscylacja, czyli zmiana neutrin z elektronowych w mionowe i taonowe, dowodzi, że ta niezwykle przenikliwa cząsteczka wbrew dotychczasowym założeniom ma jednak masę, choć bardzo małą - tego właśnie dowiedli zdobywcy tegorocznej Nagrody Nobla z fizyki.

Jak zauważył prof. Jan Kisiel z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach, odkrycie noblistów pomaga odpowiedzieć na jedno z fundamentalnych pytań fizyki: jak zbudowana jest materia. - Zaobserwowanie zjawiska oscylacji neutrin jest dowodem na to, że mają one masę. Takie zjawisko (oscylacji - PAP) może zajść jedyne wtedy, kiedy cząstki mają różniące się masy. To jest istota tego odkrycia - wyjaśnił.

Neutrina powstają zarówno w reaktorach jądrowych czy na Słońcu, jak i w ziemskiej atmosferze pod wpływem promieniowania kosmicznego. Powstają nawet w naszych ciałach - podczas rozpadu promieniotwórczych izotopów potasu. W każdej sekundzie przenikają nas biliony neutrin - niektóre powstałe przed miliardami lat - ale nie da się tego poczuć. Mogą przenikać na wylot przez ołowiane ściany, a nawet przez gwiazdy i planety.

Ponieważ neutrina nie mają ładunku elektrycznego i są niezwykle przenikliwe, bardzo trudno je wykryć. Konieczne są skomplikowane urządzenia, na przykład takie, jak japoński detektor Super-Kamiokande ulokowany w kopalni niedaleko miejscowości Kamioka w Japonii, który waży 50 000 ton.

Właśnie dzięki temu detektorowi naukowcy zauważyli, że ze Słońca nie dolatuje do Ziemi tyle neutrin, ile wynikałoby z teoretycznych założeń - brakuje aż dwóch trzecich. Zjawisko udało się wyjaśnić dopiero na przełomie tysiącleci. Najpierw, w 1998 r., Takaaki Kajita wykazał, że powstające w atmosferze pod wpływem promieniowania kosmicznego neutrina zmieniają "tożsamość", zanim trafią do Super-Kamiokande. Było to tak zwane zjawisko oscylacji.

Tymczasem grupa badawcza z Kanady, kierowana przez Arthura B. McDonalda, pracująca w kanadyjskim Sudbury Neutrino Observatory wykazała, że neutrina (konkretnie neutrina elektronowe) powstające na Słońcu nie zanikają w drodze na Ziemię. Także i one zmieniały tożsamość w drodze ze Słońca na naszą planetę.

McDonald przyznał, że kiedy udało się zaobserwować, że neutrina, które podróżują ze Słońca w stronę Ziemi, zmieniają swoją "tożsamość", przeżył moment olśnienia, czegoś, co można porównać z okrzykiem Archimedesa: "Eureka!".

Odkrycie zjawiska oscylacji neutrin dowiodło, że te cząstki - przez dziesięciolecia uważane za pozbawione masy - jednak ją mają (choć to bardzo mała masa). Oznacza to, że dotychczasowy Model Standardowy, wyjaśniający wzajemne oddziaływania cząstek tworzących Wszechświat, trzeba zmodyfikować. Odkrycia dotyczące neutrin mogą zmienić nasze poglądy na przeszłość, strukturę i przyszłość Wszechświata.

Jako piękny eksperyment, przekonujący i czysty dowód, oraz postawienie kropki nad "i" - ocenił prace tegorocznych noblistów z fizyki prof. Jan Sobczyk z Zakładu Fizyki Neutrin Uniwersytetu Wrocławskiego (UWr). Dodał, że wyniki ich badań zdążyły trafić do kanonu wiedzy z zakresu mechaniki kwantowej.

Z Takaakim Kajitą na co dzień współpracuje dr Piotr Mijakowski z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ). Jak powiedział, nagrodzone Noblem odkrycie dało nam głębsze rozumienie praw natury, istoty Wszechświata. Przypomniał, że wkład w badania Kajity mieli też polscy naukowcy. Grupę prowadziła wtedy prof. Danuta Kiełczewska, która była zaangażowana w eksperyment Super-Kamiokande i wprowadziła do niego innych Polaków. Prof. Takaaki Kajita obecnie pracuje m.in. w realizowanym w Japonii eksperymencie T2K. W międzynarodowym zespole fizyków są także naukowcy z Polski: Warszawy, Krakowa, Wrocławia i Katowic.

Z kolei dr Paweł Przewłocki z NCBJ zauważył, że odkrycie noblistów dało impuls do wielu kolejnych nowatorskich badań. - Fizycy mówią, że zaobserwowanie oscylacji neutrin to "nowa fizyka". To było coś, czego się nie spodziewaliśmy. Odkrycie pozwoliło na rozszerzenie teorii i na przeprowadzenie mnóstwa nowych badań - powiedział.