Profesor Carlo Rubbia wygłosił wykład zatytułowany „The Marvellous Neutrino” („Cudowne neutrino”). Mówił m.in. na temat eksperymentu ICARUS związanego z badaniem cząstek, za sprawą których można śledzić procesy zachodzące we wnętrzu gwiazd. Wizyta noblisty miała związek z badaniami prowadzonymi w Gran Sasso we Włoszech, w których uczestniczą pracownicy Instytutu Fizyki UŚ.

Niezwykłe neutrina i eksperyment OPERA

Profesor Carlo Rubbia rozpoczął swoje wystąpienie od przedstawienia niezwykłych własności neutrin. Są to nieposiadające ładunku elektrycznego cząstki elementarne, należące do rodziny tzw. leptonów. Ich istnienie zostało przewidziane przez Wolfganga Pauliego już w 1930 roku. Jednak ze względu na fakt, że słabo oddziałują z materią. Na doświadczalne potwierdzenie ich istnienia trzeba było czekać do 1956 roku. Problem z ich detekcją polega na tym, że neutrina oddziałują z materią jedynie za pomocą tzw. oddziaływań słabych. W konsekwencji mają tak dużą zdolność przenikania, że nawet obiekty wielkości gwiazd nie stanowią dla nich prawie żadnej przeszkody. Są przy tym bardzo liczne, np. na Ziemi w każdej sekundzie przez 1 cm2 powierzchni przechodzi ok. 100 miliardów neutrin produkowanych na Słońcu. W celu detekcji neutrin wykorzystuje się ich niezwykle rzadkie oddziaływania z materią, a cząstki wtedy powstające obserwuje się w olbrzymich detektorach wypełnionych np. ultraczystą wodą, o masie liczonej w setkach a nawet tysiącach ton, umieszczonych głęboko pod ziemią – we wnętrzach gór albo w kopalniach – aby rzadkie przypadki oddziaływania neutrin z materiałem detektora nie były zakłócane przez, częste na powierzchni Ziemi, oddziaływanie cząstek promieniowania kosmicznego.

Wynikiem wielomiesięcznej pracy detektorów jest zaledwie kilka, kilkadziesiąt lub, w najlepszym przypadku, kilkaset zaobserwowanych w tym czasie oddziaływań neutrin. Jednak nawet ta niewielka liczba pozwoliła na dokonanie niezwykle istotnego odkrycia tzw. oscylacji neutrin, czyli zmiany jednego rodzaju neutrina w inny, np. neutrina elektronowego w neutrino mionowe/taonowe na drodze z wnętrza Słońca do detektora. Badając neutrina na Ziemi, możemy poznawać procesy zachodzące głęboko we wnętrzu gwiazd, których badanie nie było dotychczas możliwe przy użyciu fotonów – nośników informacji w tradycyjnej astronomii. Oprócz neutrin ze źródeł naturalnych, możemy badać także neutrina powstające w reaktorach elektrowni atomowych oraz neutrina z tzw. wiązek neutrin, które są produkowane przy pomocy akceleratorów przyśpieszających cząstki naładowane do wysokich energii.

Wizyta prof. Carla Rubii przyciągnęła do auli im. Andrzeja Pawlikowskiego w Instytucie Fizyki UŚ tłumy pracowników i studentów naszej uczelni

Jednak tym, co stanowiło kluczowy punkt wykładu prof. Rubbi, było omówienie kontrowersji wokół ostatnich odkryć sugerujących, że neutrina mogą się przemieszczać z prędkością większą od prędkości światła. Zgodnie z teorią względności Einsteina, prędkość światła w próżni jest największą osiągalną prędkością we Wszechświecie. Tymczasem we wrześniu tego roku naukowcy pracujący przy eksperymencie OPERA ogłosili, że neutrina przesyłane ze szwajcarskiego ośrodka CERN do odległego o 732 km włoskiego laboratorium w Gran Sasso dotarły tam o ponad 60 nanosekund szybciej (nanosekunda to miliardowa część sekundy), niż gdyby poruszały się z prędkością światła. Wielokrotnie powtarzane pomiary nie wykazały błędów i badacze zdecydowali się opublikować wyniki.

Profesor Rubbia zwrócił uwagę na kontrowersyjność tych wyników, m.in. na fakt, że neutrina wyemitowane w wyniku wybuchów supernowych nie docierają do Ziemi wcześniej niż światło, jak wynikałoby z eksperymentu OPERA. A w przypadku tego typu zjawisk astronomicznych, oddalonych od Ziemi o miliony lat świetlnych – wyprzedzenie, z jakim wiązka neutrin powinna dotrzeć do naszej planety przed światłem – byłoby liczone nie w ułamkach sekund, lecz w latach. Wynik ten sugeruje, że prędkość neutrin może zależeć od ich energii – te emitowane przez supernowe mają mniejszą energię niż przesyłane z CERN.

Projekt ICARUS

Profesor Rubbia jest kierownikiem projektu ICARUS, którego oficjalna inauguracja miała miejsce 29 marca 2011 roku w Laboratorium Gran Sasso. Warto wspomnieć, że w tej inauguracji wzięli udział, na zaproszenie organizatorów, przedstawiciele Instytutu Fizyki naszego Uniwersytetu w osobach dyrektora Instytutu prof. dr. hab. Krystiana Roledera oraz prof. dr. hab. Jana Kisiela z Zakładu Fizyki Jądrowej i Jej Zastosowań. Podczas inauguracji odczytano list JM Rektora Uniwersytetu Śląskiego prof. zw. dr. hab. Wiesława Banysia do uczestników wydarzenia.

Warto przypomnieć, że od ponad dziesięciu lat w realizacji eksperymentu ICARUS uczestniczy 20-sto osobowa grupa polskich fizyków: z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach, Instytutu Fizyki Jądrowej PAN im. H. Niewodniczańskiego, Instytutu Problemów Jądrowych im. A. Sołtana, Instytutu Radioelektroniki Politechniki Warszawskiej oraz Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Wrocławskiego. Polskim koordynatorem projektu jest prof. dr hab. Jan Kisiel z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego.

Noblista tłumaczył, że neutrina stanowią bardzo ważną część ewolucji gwiazd, a poznanie ich specyficznych właściwości może odmienić przyszłość nauki, pomóc w zrozumieniu świata, w którym żyjemy

Sercem eksperymentu jest detektor ICARUS T600 wypełniony 600 tonami ciekłego argonu. Jest to pierwszy tak masywny i tak precyzyjny detektor ciekło-argonowy, działający w podziemnym laboratorium. Miejsce, w którym znajdują się oba detektory, ICARUS i OPERA – Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) – jest obecnie największym podziemnym laboratorium fizyki na świecie. Znajduje się w dziesięciokilometrowym tunelu autostrady łączącej Rzym z Teramo, około 1000 m n.p.m., we wnętrzu masywu górskiego Gran Sasso, którego szczyty sięgają 3000 m n.p.m. Detektor ICARUS T600 w ciągu swojej kilkumiesięcznej pracy dostarczył bardzo ciekawych wyników dotyczących oddziaływań neutrin. I to właśnie ostatnie wyniki tego programu rzucają, nomen omen, nowe światło na problem przekraczania prędkości światła przez neutrina. W ramach eksperymentu ICARUS można zmierzyć wysokoenergetyczne pary elektron-pozyton, które powinny być produkowane przez neutrina poruszające się z prędkością większą niż prędkość światła. Efekt ten jest odpowiednikiem dobrze znanego w fizyce efektu Czerenkowa dla cząstek naładowanych, poruszających się w ośrodku (np. w wodzie) szybciej niż światło. Tymczasem w eksperymencie ICARUS nie zaobserwowano takich wysokoenergetycznych par elektron-pozyton. Dlatego, zakładając prawdziwość „efektu Czerenkowa” dla neutrin, można powiedzieć, że neutrina poruszają się z prędkością mniejszą niż prędkość światła w próżni.

Naukowcy przygotowują już kolejne eksperymenty, np. w amerykańskim Fermilab i w japońskim ośrodku KEK, które, być może, pozwolą na dalszą weryfikację wyników OPERY.

Profesor Carlo Rubbia urodził się w 1934 roku w małym włoskim miasteczku Gorycja. Studiował fizykę w Scuola Normale w Pizie. W 1958 roku rozpoczął pracę badawczą w Columbia University w Laboratorium Nevis, gdzie zdobył doświadczenie i zaznajomił się z akceleratorami cząstek. W 1960 roku powrócił do Europy, przyciągnięty nowo założonym w Szwajcarii ośrodkiem naukowo- badawczym CERN, gdzie pracował nad eksperymentami dotyczącymi struktury słabych oddziaływań. W 1970 roku został mianowany profesorem fizyki na Uniwersytecie Harvarda, w dalszym ciągu jednak często podróżował do Europy. W 1976 roku zasugerował dostosowanie należącego do CERN supersynchrotronu protonowego do zderzeń protonów z antyprotonami zachodzących w jednym kręgu – i tym samym powstanie pierwszej na świecie fabryki antyprotonów. Zderzacz rozpoczął działanie w 1981 roku, a w 1983 został odkryty bozon W. Kilka miesięcy później udało się zaobserwować także bozony Z. W kolejnym roku Carlo Rubbia oraz Simon van der Meer otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za decydujący wkład w odkrycie bozonów W i Z, pośredniczących w oddziaływaniach słabych. Był to jeden z najkrótszych w historii przedziałów czasowych pomiędzy dokonaniem odkrycia a przyznaniem nagrody.

10 listopada 1993 roku profesor Rubbia został odznaczony Krzyżem Komandorskim Orderu Zasługi Rzeczypospolitej Polskiej. Obecnie Carlo Rubbia jest profesorem na Uniwersytecie w Pawii (Włochy).