Polscy fizycy biorą udział w międzynarodowym eksperymencie ICARUS, którego celem jest badanie właściwości neutrin – cząstek elementarnych słabo oddziałujących z materią. Projekt gromadzi ponadto badaczy z Włoch, Stanów Zjednoczonych oraz Rosji. Katowicką grupę reprezentują: prof. dr hab. Jan Kisiel – koordynator prac polskiego zespołu – oraz Jacek Holeczek, Izabela Kochanek, Sławomir Mania – pracownicy i doktoranci Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego.

Brakujący element
 

Wszystkiemu winien był rozpad beta, polegający na przemianie neutronu jądra atomowego w proton wraz z emisją elektronu. Proces ten nie był bowiem zgodny z jedną z fundamentalnych zasad fizyki, mianowicie z zasadą zachowania energii. Jak zaznacza profesor Jan Kisiel, nie znamy żadnego procesu w fizyce, który byłby sprzeczny z tą zasadą. W przypadku rozpadu beta okazało się, że otrzymana sumaryczna energia produktów rozpadu była mniejsza od całkowitej wartości początkowej. Fizycy rozpoczęli więc poszukiwanie rozwiązania problemu, by zachować tak ważną dla nich zasadę. Jeden z nich, austriacki badacz Wolfgang Pauli, zasugerował istnienie brakującego elementu w modelu rozpadu beta. W grudniu 1930 roku napisał w liście do fizyków zgromadzonych podczas warsztatów w Tubingen, iż przewiduje istnienie neutralnych cząstek o znikomej masie, nie poruszających się z prędkością światła, dzięki którym zrozumiały staje się rozpad beta w kontekście zasady zachowania energii. Zdając sobie sprawę z niezwykłości zaproponowanego rozwiązania, zadał pytanie: gdyby owe cząstki rzeczywiście istniały, czy ktoś nie dostrzegłby ich już wcześniej? Okazało się, że nie tylko te nie zostały dostrzeżone. Dwa lata później angielski fizyk James Chadwick odkrył i opisał neutron. Warto tutaj dodać, że bliscy odkrycia tej cząstki byli również Frederic i Irene Joliot-Curie (córka Marii Skłodowskiej-Curie). Na potwierdzenie hipotezy Pauliego trzeba było czekać ponad dwadzieścia pięć lat. Okazało się również, że są trzy rodzaje, a raczej – jak mówią fizycy – trzy zapachy neutrin: elektronowe, mionowe i taonowe. Ostatecznie istnienie neutrin elektronowych zostało potwierdzone w 1956 roku w eksperymencie Fredericka Reinesa i Clyde’a Cowana. Istnienie kolejnych dwóch zapachów potwierdzono odpowiednio w roku 1962 i 2000.
 

Cząstka niezwykła
 

Detektor ICARUS w hali B podziemnego laboratorium fizyki w Gran Sasso we Włoszech

Na początku pojawiło się wiele pytań dotyczących właściwości neutrin. Są to cząstki o zerowym ładunku elektrycznym, których masa bliska jest zeru, poruszających się niemalże z prędkością światła, o bardzo słabym stopniu oddziaływania z materią, w związku z czym niezwykle trudna jest bezpośrednia rejestracja jakiegokolwiek oddziaływania. W praktyce oznacza to, że cechują się niezwykłą przenikliwością – bez przeszkód penetrują skały, budynki, także ciało człowieka. Emitowane są przez Słońce (neutrina słoneczne) i inne gwiazdy, powstają w górnej warstwie atmosfery w wyniku oddziaływania cząstek z promieniowania kosmicznego (neutrina atmosferyczne), ale mogą być również produkowane sztucznie – w reaktorach jądrowych czy akceleratorach cząstek elementarnych. Są wszechobecne. Mimo że nie odczuwamy ich oddziaływania, każdego dnia przenika nasze ciało nawet 50 bilionów neutrin na sekundę (głównie słonecznych). Ich natura nie została jednak do końca zbadana, wiele zagadnień pozostaje nierozstrzygniętych. Jednym z problemów jest antymateria. – W fizyce dla każdej cząstki obserwujemy antycząstkę. Na przykład antycząstką elektronu jest pozyton, różnią się one tylko przeciwnym znakiem ładunku elektrycznego, ale są to dwie różne cząstki. Neutrino może natomiast być swoją własną antycząstką. Jeśli owa teoria zostałaby potwierdzona, byłby to pewien ewenement w fizyce cząstek – wyjaśnia prof. Kisiel. Nie bez przyczyny realizowane są więc kolejne eksperymenty neutrinowe, których celem jest badanie natury owych wszechobecnych i jednocześnie prawie niedostrzegalnych cząstek.
 

Największe podziemne laboratorium fizyki
 

Badanie właściwości neutrin jest skomplikowane przede wszystkim ze względu na ich słabe oddziaływanie z materią. Inne oddziaływania, np. cząstek promieniowania kosmicznego, uniemożliwiają otrzymanie bezpośredniego wyraźnego obrazu reakcji. W związku z tym, aby badać tę niezwykle ważną i obiecującą dziedzinę fizyki, jaką jest fizyka neutrin, potrzebne było stworzenie odpowiednich warunków do eksperymentu. Wybrane zostało miejsce szczególne – Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), będące największym na świecie podziemnym laboratorium fizyki, zlokalizowanym około 120 km od Rzymu, między dwoma włoskimi miastami – L’Aquilą i Teramo. Jest to dziesięciokilometrowy tunel wydrążony w najwyższym masywie Apeninów – Gran Sasso (stąd nazwa laboratorium).
– Dla mnie to laboratorium jest jak wielka brama świątyni wiedzy o cząstkach elementarnych – mówi Izabela Kochanek. Dzięki skalnej warstwie otaczającej przestrzeń pracowni, docieranie naładowanych cząstek promieniowania kosmicznego zostaje znacznie zredukowane, przez co możliwe staje się obserwowanie efektów oddziaływania neutrin. Wewnątrz tunelu znajdują się trzy hale, każda o długości około 100 metrów i łącznej objętości 180 000 m3. W hali B zlokalizowany został detektor ICARUS T600. Jest to urządzenie służące do wykrywania i rejestracji przypadków oddziaływań cząstek, zbudowane z dwóch aluminiowych kontenerów. We wnętrzu każdego z nich znajduje się około 300 ton ciekłego argonu. Jest to największy na świecie detektor ciekłoargonowy. Jego wybudowanie było skomplikowanym przedsięwzięciem technologicznym – nie tylko ze względu na rozmiary, lecz również w związku z koniecznością utrzymywania argonu w stanie ciekłym przez długi okres czasu.

Eksperyment ICARUS T600
 

Prof. J. Kisiel i prof C. Rubbia

Współpraca fizyków rozpoczęła się w 2000 roku. Badacze z różnych ośrodków naukowych w Polsce (Warszawa, Kraków, Wrocław i Katowice), zajmujący się fizyką neutrin, poszukiwali wspólnie eksperymentu, w którym mogliby obserwować oddziaływanie tych niezwykłych cząstek. Jak wspomina prof. Jan Kisiel, obiecujący wydał się wówczas właśnie eksperyment ICARUS ze względu na użycie ciekłego argonu wewnątrz detektora, który okazał się niezwykle ważny dla prawidłowej rekonstrukcji przypadków oddziaływań neutrin. Pomysł wykorzystania ciekłego argonu zrodził się w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku, a jego autorem jest laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki – prof. Carlo Rubbia, kierujący obecnie współpracą badaczy w ramach projektu ICARUS. Jednym z badanych zjawisk w eksperymencie ICARUS jest oscylacja neutrin, będąca zmianą rodzaju cząstek z jednego typu na inny. Otóż, jak wyjaśnia profesor Kisiel, w wyniku syntezy jądrowej lekkich pierwiastków we wnętrzu Słońca powstają neutrina elektronowe, które w locie, z czasem, oscylują w neutrina innego zapachu. – Jest to ciekawy mechanizm: neutrina rodzą się bowiem jako cząstki jednego rodzaju, stając się po pewnym czasie cząstkami innego rodzaju, różniącymi się właściwościami – dodaje. W nazwie detektora ICARUS T600, będącej skrótem od Imaging Cosmic And Rare Underground Signals, najważniejsze jest pierwsze słowo: Imaging, a więc Obrazowanie. Do detektora docierają neutrina słoneczne i atmosferyczne oraz sztucznie wyprodukowana wiązka neutrin mionowych w CERN (Genewa). Ten szwajcarski ośrodek naukowobadawczy oddalony jest od Gran Sasso o 732 km. Wiązka pokonuje tę drogę poprzez materię Ziemi niemalże bez przeszkód, uderzając w detektor. Samo neutrino nie pozostawia w detektorze żadnych śladów, jednakże widoczne są produkty zderzenia cząstki z ciekłym argonem. W wyniku tego oddziaływania powstają bowiem naładowane cząstki, które mogą być następnie rozpoznane i opisane przez badaczy. W owym detektorze można wobec tego otrzymać trójwymiarowy obraz oddziaływania, na podstawie którego możliwe staje się badanie właściwości neutrin. Jak wyjaśnia profesor Kisiel: wszystkie cząstki naładowane, powstające podczas przypadków oddziaływania neutrin, jonizują ciekły argon, a my widzimy efekty tej jonizacji. Oficjalna inauguracja detektora odbyła się 29 marca br. we włoskim laboratorium. Prace w ramach eksperymentu będą wstępnie trwały do końca 2012 roku. Są to przede wszystkim badania podstawowe, służące zdobyciu wiedzy o otaczającym nas świecie. Dzięki nim fizycy będą mogli przyczynić się do poznania historii i prawidłowości procesu ewolucji gwiazd. Są także inne korzyści płynące z eksperymentu. Zdaniem profesora Kisiela niebagatelne znaczenie ma również zdobyta wiedza kriogeniczna (związana z koniecznością utrzymania ciekłego argonu), która być może znajdzie zastosowanie w praktyce, podobnie jak obrazowanie trójwymiarowe. Cały projekt ma również ogromne znaczenie dla młodych pracowników naukowych, którzy w nim uczestniczą. – Zaskoczyło mnie przede wszystkim traktowanie młodych naukowców jak partnerów, nieograniczony dostęp do aparatury oraz ilość czasu, jaką trzeba poświęcić, aby uzyskane wyniki były satysfakcjonujące, co daje szansę na prowadzenie dalszych badań – mówi Izabela Kochanek.

Międzynarodowa współpraca
 

Spośród około osiemdziesięciu fizyków biorących udział w eksperymencie ICARUS, dwudziestu jest pracownikami polskich ośrodków naukowo-badawczych. Reprezentują Instytut Fizyki Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach, Instytut Fizyki Jądrowej PAN im. H. Niewodniczańskiego, Instytut Problemów Jądrowych im. A. Sołtana, Instytut Radioelektroniki Politechniki Warszawskiej oraz Instytut Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Wrocławskiego. Znaczna część badaczy to doktoranci. Jak wyjaśnia profesor Kisiel, uczestniczą oni przede wszystkim w zbieraniu i analizie danych pod kątem różnych właściwości i problemów fizycznych. Doktoranci tworzą ponadto oprogramowania do rekonstrukcji przypadków. Są to programy, które pozwalają identyfikować cząstki powstałe w wyniku oddziaływania neutrin oraz umożliwiają zrekonstruowanie toru ich ruchu w trzech wymiarach. Obecnie polska grupa badawcza uczestniczy we wszystkich etapach projektu. Korzyści płynące z udziału w eksperymencie są ogromne. – Po skończeniu studiów doktoranci będą nie tylko dobrymi fizykami, lecz również specjalistami w obrazowaniu w trzech wymiarach. Takie algorytmy są dziś wykorzystywane chociażby w medycynie – mówi prof. J. Kisiel. Nie bez znaczenia są również międzynarodowe kontakty. Fizycy prezentują otrzymywane wyniki podczas licznych konferencji naukowych oraz wideokonferencji. Kilka razy w roku odbywają się spotkania grupy ICARUS. Jak zaznaczył profesor Kisiel, być może jesienne spotkanie badaczy reprezentujących cztery kraje odbędzie się w Katowicach, w Uniwersytecie Śląskim.