Nagroda Nobla z fizyki 2015 za odkrycie, że neutrina mają masę

Takaaki Kajita oraz Arthur B. McDonald odkryli, że neutrino ma masę. Rys. NobelPrize.org

Laureatami nagrody Nobla z fizyki 2015 zostali Japończyk Takaaki Kajita oraz Kanadyjczyk Arthur B. McDonald za rozwiązanie zagadki neutrin. Dzięki tym naukowcom wiemy, że neutrina mają masę. W odkryciu tym ma udział polska badaczka – prof. Danuta Kiełczewska z Uniwersytetu Warszawskiego.

Takaaki Kajita pracuje w zespole badawczym detektora neutrin Super-Kamiokande w Japonii, zaś Arthur B. McDonald jest pracownikiem Sudbury Neutrino Observatory w Kanadzie.

Neutrina są cząstkami elementarnymi – mają zerowy ładunek elektryczny i słabo oddziałują z materią, dlatego ich badanie jest niezwykle trudne. Neutrina są niemal nie do powstrzymania – potrafią przenikać przez nasze ciała, ziemię, skały, wodę. I robią to bardzo, bardzo chętnie, bo w każdej sekundzie przez każdy centymetr kwadratowy naszego ciała przelatuje 60 miliardów tych cząstek. W większości pochodzą ze Słońca, ale rodzą się też w wybuchach supernowych, reaktorach atomowych a nawet w naszych własnych ciałach – rozpad izotopów potasu daje 5000 nowych neutrin w każdej sekundzie.

Badania nad neutrinami są kluczowe dla zrozumienia elementarnej budowy Wszechświata, w tym procesów zachodzących w naszej macierzystej gwieździe – Słońcu, które posyła te cząstki w kierunku Ziemi. Problem w tym, że do niedawna detektory mogły rejestrować zaledwie jedną trzecią z tego, co – jak sugerowały modele matematyczne – powinno docierać do naszego globu. I właśnie do rozwiązania ten zagadki, tzw. problemu neutrin słonecznych, przyczynili się tegoroczni nobliści. Zasugerowali, że po opuszczeniu Słońca neutrina zmieniają swój stan (zwany stanem zapachowym). Jednak, by takie rozwiązanie mogło działać, neutrina musiały mieć masę różną od zera.

Udało się to odkryć w niesamowitym ośrodku Super-Kamiokande. Jest to znajdujący się na głębokości 1 km pod ziemią, wypełniony 50 tysiącami ton wody zbiornik o wysokości 40 metrów i średnicy 40 metrów. To gigantyczne urządzenie mieści superczystą wodę o objętości równej 33 basenom olimpijskim.

Super-Kamiokande, ultraczuły detektor neutrin. Fot. Ben Still

Super-Kamiokande służy do rejestracji neutrin. W wodę „wpatruje się” 11146 elektronicznych „oczu”, czyli detektorów, których jedynym zadaniem jest dostrzeżenie światła emitowanego wtedy, kiedy neutrino zderza się z jądrem np. tlenu z wody. Detektory są tak czułe, że rejestrują pojedyncze fotony.

Podobne badania prowadzone były również w kanadyjskim detektorze Sudbury Neutrino Observatory – stąd drugi Nobel dla naukowca z tego ośrodka.

W zespole pracującym w Super-Kamiokande znalazła się również Polka, prof. Danuta Kiełczewska z Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW. Jest ona współautorką odkrycia oscylacji (czyli zmiany stanu zapachowego) neutrin w japońskim detektorze. Brała również udział w eksperymentach poszukujących rozpadów protonu i badających własności neutrin atmosferycznych i słonecznych.

Noble 2015 z medycyny – wyjątkowo mądre nagrody za walkę z pasożytami