Japoński detektor ukryty kilometr pod ziemią pomaga naukowcom badać neutrina, wybuchy supernowych i najgłębsze pytania o budowę Wszechświata

W chwili, kiedy to czytasz, przez twoje ciało przelatują biliony neutrin. Nie widzisz ich, nie czujesz i niemal nic ich nie zatrzymuje. Neutrina należą do najliczniejszych cząstek elementarnych we Wszechświecie. Pod względem liczby ustępują prawdopodobnie tylko fotonom, czyli cząstkom światła. Tym bardziej zaskakujące jest to, jak mało nadal o nich wiemy.

Dziś fizycy badają, jak neutrina zmieniają swój typ podczas lotu przez setki kilometrów przez Ziemię. Te pomiary mogą przybliżyć odpowiedź na jedno z najważniejszych pytań współczesnej fizyki: dlaczego po Wielkim Wybuchu materia nie zniknęła razem z antymaterią.

W tych badaniach uczestniczą także naukowcy z Polski. Jedną z osób zaangażowanych w międzynarodowe prace nad oscylacjami neutrin jest dr Magdalena Posiadała-Zezula z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, która bierze udział w eksperymencie Tokai-to-Kamioka (T2K) w Japonii. Badaczka pracuje nad analizą danych z eksperymentów neutrinowych i wyjaśnia, w rozmowie z Serwisem Naukowym Uniwersytetu Warszawskiego, dlaczego te niemal niewidzialne cząstki mogą mieć znaczenie dla zrozumienia historii całego Wszechświata.

Neutrina: cząstki, które prawie nie oddziałują z materią

Wszystko, co widzimy wokół siebie, a więc gwiazdy, planety, drzewa, koty, smartfony i ludzkie ciało, zbudowane jest z atomów. Atomy składają się z protonów i neutronów tworzących jądro atomowe oraz elektronów poruszających się wokół jądra.

Gdy fizycy zajrzeli jeszcze głębiej, odkryli świat cząstek elementarnych. To najmniejsze znane składniki materii. Jednymi z najbardziej zagadkowych są właśnie neutrina. Są niezwykle lekkie i bardzo słabo oddziałują z otoczeniem. Przez długi czas naukowcy nie byli nawet pewni, czy naprawdę istnieją.

Neutrina powstają w wielu miejscach i procesach: w Słońcu, podczas wybuchów supernowych, w atmosferze Ziemi, w reaktorach jądrowych, a także w wiązkach neutrin wytwarzanych przez człowieka w eksperymentach akceleratorowych.

Pytanie, które dziś stawiają fizycy, brzmi znacznie szerzej: czy te nieuchwytne cząstki elementarne pomogą wyjaśnić, dlaczego po narodzinach Wszechświata materia nie została całkowicie zniszczona przez antymaterię, swoje lustrzane odbicie?

T2K, NOvA i Super-Kamiokande. Jak bada się neutrina?

Badaniem niemal niewidzialnych cząstek zajmują się m.in. zespoły eksperymentów Tokai-to-Kamioka (T2K) w Japonii oraz NOvA w Stanach Zjednoczonych. W pierwszym z tych projektów uczestniczą badacze z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Oba zespoły analizują dane z eksperymentów neutrinowych z tzw. długą bazą.

Tradycje badań neutrinowych na Uniwersytecie Warszawskim sięgają przełomowych wyników eksperymentu Super-Kamiokande. Prof. dr hab. Danuta Kiełczewska z UW była współautorką publikacji „Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos”, opublikowanej w 1998 roku w czasopiśmie „Physical Review Letters”. Zespół Super-Kamiokande przedstawił w niej dowody na oscylacje neutrin atmosferycznych. Znaczenie tego odkrycia potwierdziła Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki, którą w 2015 roku otrzymał Takaaki Kajita, jeden z liderów badań Super-Kamiokande, wspólnie z Arthurem B. McDonaldem. Zespół McDonalda badał oscylacje neutrin słonecznych.

W 2026 roku eksperyment Super-Kamiokande obchodzi 30-lecie działalności. W obchodach jubileuszu uczestniczą dr Magdalena Posiadała-Zezula z UW oraz jej doktorant Mariusz Girguś. Polskie zaangażowanie w projekt reprezentują także dr Joanna Zalipska z Narodowego Centrum Badań Jądrowych oraz dr Lakshmi Mohan z Uniwersytetu Śląskiego.

W eksperymentach z długą bazą, takich jak T2K czy NOvA, naukowcy wytwarzają intensywne wiązki neutrin i kierują je w stronę odległych detektorów. Neutrina nie potrzebują tunelu. Ponieważ bardzo słabo oddziałują z materią, mogą przelatywać przez skały i przez Ziemię niemal bez przeszkód. W eksperymencie T2K neutrina pokonują około 295 kilometrów z ośrodka J-PARC do detektora Super-Kamiokande. W eksperymencie NOvA neutrina przebywają około 810 kilometrów między punktem produkcji wiązki neutrinowej a detektorem dalekim.

Oscylacje neutrin. Dlaczego cząstki zmieniają swój „zapach”?

Detektory i metody analizy muszą być niezwykle czułe. Rejestracja oddziaływań neutrin jest trudna, ponieważ w detektorach nie widać samego neutrina. Naukowcy obserwują produkty jego oddziaływania z materią detektora, czyli inne cząstki.

Po drodze neutrina potrafią zmieniać swoją „tożsamość”, określaną w fizyce jako zapach neutrina. Fizycy wyróżniają trzy zapachy neutrin: elektronowy, mionowy i taonowy. Problem polega na tym, że neutrino mionowe po pewnym czasie może zostać wykryte już jako neutrino elektronowe.

Dla fizyków było to odkrycie o ogromnym znaczeniu. W najprostszym obrazie Modelu Standardowego, czyli teorii opisującej znane cząstki elementarne, neutrina miały być bezmasowe. Gdyby tak było, nie powinny zmieniać swojego zapachu podczas lotu. To zjawisko nazwano oscylacjami neutrin.

Aby je uchwycić, naukowcy budują ogromne detektory, często umieszczane pod ziemią albo chronione przed tłem pochodzącym od innych cząstek. Następnie analizują pojedyncze, bardzo rzadkie sygnały oddziaływań neutrin. W praktyce fizycy szukają dwóch efektów: neutrin, które „znikają”, oraz neutrin, które pojawiają się tam, gdzie nie powinno ich być.

Znikanie neutrin mionowych i pojawianie się neutrin elektronowych

– Najważniejsze są dwa efekty. Po pierwsze: znikanie neutrin mionowych. Sprawdza się, ile neutrin mionowych „brakuje” w detektorze dalekim w porównaniu z tym, ile powinno ich być, gdyby po drodze nic się z nimi nie działo, to znaczy gdyby nie podlegały zjawisku oscylacji neutrin. Po drugie: pojawianie się neutrin elektronowych. Sprawdza się, czy w wiązce, która początkowo składała się głównie z neutrin mionowych, po przebyciu setek kilometrów pojawiły się neutrina elektronowe. To jest ślad tego, że neutrina potrafią zmieniać swój typ, czyli zapach, po przejściu drogi od punktu produkcji do punktu detekcji, a więc oscylować. NOvA opisuje swój program właśnie jako pomiar pojawiania się neutrin elektronowych i znikania neutrin mionowych; analogiczny typ pomiaru wykonuje T2K – tłumaczy dr Magdalena Posiadała-Zezula z Wydziału Fizyki UW.

Siła eksperymentów T2K i NOvA polega na tym, że pozwalają mierzyć oscylacje neutrin oraz antyneutrin, a następnie porównywać oba procesy. Szczególne znaczenie ma pierwsza wspólna analiza danych T2K i NOvA, opublikowana w 2025 roku w czasopiśmie „Nature”.

Połączenie danych z obu eksperymentów pozwoliło zmniejszyć niepewność pomiaru różnic mas neutrin do poziomu poniżej 2 proc. To jeden z najdokładniejszych na świecie pomiarów jednego z parametrów oscylacji neutrin.

– Połączyliśmy dane z dwóch różnych eksperymentów obserwujących oscylacje neutrin i antyneutrin w innych warunkach – przy różnych energiach, odległościach i z użyciem innych detektorów bliskich i dalekich. Dzięki temu możemy dokładniej sprawdzić, jak neutrina zachowują się podczas lotu przez setki kilometrów – wyjaśnia dr Posiadała-Zezula.

Parametr δCP i masa neutrin. Czego nadal nie wiedzą fizycy?

Zespół przygotował własne metody analizy i dodatkowe rozwiązania eksperymentalne, które pomagają odróżniać bardzo rzadkie sygnały neutrin od szumu generowanego przez inne cząstki.

– W naszych badaniach mierzymy bardzo rzadkie oddziaływania neutrin w detektorze. Na podstawie zarejestrowanych sygnałów odtwarzamy, jakiego rodzaju neutrino dotarło do detektora i jaką miało energię. Następnie porównujemy te dane z przewidywaniami, aby sprawdzić, jak neutrina zmieniają swój typ podczas lotu i jakie własności fizyczne za tym stoją – wyjaśnia badaczka.

Jednym z kluczowych celów tych pomiarów jest ustalenie wartości parametru δCP. To on może pokazać, czy neutrina i antyneutrina zachowują się identycznie, czy jednak różnią się w sposób ważny dla zrozumienia historii Wszechświata.

– Nie znamy jeszcze wszystkich stałych fizycznych opisujących oscylacje neutrin – parametrów, które mówią, z jakim prawdopodobieństwem neutrina zmieniają swój zapach podczas lotu. W naszych pomiarach szukamy między innymi wartości parametru δCP, który pozwala sprawdzić, czy neutrina i antyneutrina zachowują się tak samo. Nie znamy też pełnej hierarchii mas neutrin, czyli odpowiedzi na pytanie, który z trzech stanów masowych neutrin jest najlżejszy, a który najcięższy. Tych informacji również szukamy w naszych pomiarach: porównując dane z detektorów z przewidywaniami teoretycznymi, próbujemy coraz dokładniej opisać mechanizm oscylacji neutrin – dodaje dr Posiadała-Zezula.

Technologie

Planety swobodne naprawdę istnieją! Magazyn „Science” potwierdza „Odkrycie dekady”

Od hipotezy Pauliego do pierwszego wykrycia neutrin

Historia neutrin zaczęła się od problemu, który zaskoczył fizyków na początku XX wieku. Badacze zauważyli, że podczas rozpadu promieniotwórczego część energii jakby znika. Wyglądało to tak, jakby jedna z najważniejszych zasad fizyki, czyli zasada zachowania energii, przestawała działać.

Austriacki fizyk Wolfgang Pauli zaproponował wtedy śmiałą hipotezę: brakującą energię musi zabierać jakaś nieznana wcześniej, niemal niewidzialna cząstka. Tak narodziła się idea neutrina.

Przez kolejne lata neutrino było jedynie hipotezą. To jedna z najlżejszych znanych cząstek elementarnych. Nie ma ładunku elektrycznego i prawie nie oddziałuje z otoczeniem, dlatego przez długi czas fizycy nie potrafili go bezpośrednio zaobserwować.

Dopiero w 1956 roku Clyde Cowan i Frederick Reines po raz pierwszy zarejestrowali ślady tych cząstek, a dokładniej antyneutrin elektronowych, w eksperymencie przy reaktorze jądrowym. Odkrycie potwierdziło, że Pauli miał rację: we Wszechświecie naprawdę istnieją niemal niewidzialne cząstki, które przenikają przez materię praktycznie bez przeszkód.

Dlaczego po Wielkim Wybuchu istnieje materia?

Badania neutrin mogą brzmieć jak abstrakcyjna praca nad egzotycznymi cząstkami, ale ich znaczenie jest ogromne. Fizycy próbują odpowiedzieć na pytanie, dlaczego po Wielkim Wybuchu w ogóle powstał świat, który dziś znamy.

Zgodnie z podstawowym obrazem wczesnego Wszechświata materia i antymateria powinny powstać w bardzo podobnych ilościach. Gdyby zachowywały się idealnie symetrycznie, powinny się wzajemnie unicestwić. Wtedy zamiast galaktyk, gwiazd, planet i życia zostałoby głównie promieniowanie.

Tak się jednak nie stało. Istnieją galaktyki, gwiazdy, planety, Ziemia i ludzie czytający teksty o neutrinach w internecie, co samo w sobie jest osobliwym triumfem materii nad chaosem. Jednym z tropów prowadzących do wyjaśnienia tej przewagi mogą być właśnie neutrina i antyneutrina.

– Współczesna kosmologia zakłada, że we wczesnym Wszechświecie materia i antymateria powinny powstać w bardzo podobnych ilościach. Gdyby było ich dokładnie tyle samo i gdyby zachowywały się idealnie symetrycznie, powinny się wzajemnie unicestwić – anihilować, jak mówią fizycy – zostawiając głównie promieniowanie. Tymczasem istnieją galaktyki, gwiazdy, planety i my – czyli materia jednak „wygrała”. Badania oscylacji neutrin sprawdzają między innymi, czy neutrina i antyneutrina oscylują dokładnie tak samo. Gdyby okazało się, że zachowują się inaczej, byłby to ważny trop w poszukiwaniu mechanizmu, który we wczesnym Wszechświecie mógł doprowadzić do przewagi materii nad antymaterią – wyjaśnia dr Posiadała-Zezula.

Technologie

Mamy zaginione ogniwo! – Ewolucja człowieka jest bardziej skomplikowana, niż sądziliśmy

Neutrina mogą pomóc opisać początki Wszechświata

Na razie fizycy nie mają jeszcze pełnej odpowiedzi na pytanie, dlaczego materia wygrała z antymaterią. Badania prowadzone w eksperymentach T2K, NOvA i Super-Kamiokande zawężają jednak obszar poszukiwań. Każdy dokładniejszy pomiar oscylacji neutrin, różnic mas i zachowania antyneutrin pozwala lepiej opisać reguły, które działały we wczesnym Wszechświecie.

Dlatego badania neutrin nie są wyłącznie techniczną ciekawostką dla fizyków. To próba odpowiedzi na pytanie, dlaczego istnieje świat zbudowany z materii. Innymi słowy: dlaczego po Wielkim Wybuchu zostało cokolwiek, zamiast kosmicznej pustki i promieniowania.

Neutrina są niemal niewidzialne, przelatują przez ludzi, planety i detektory, a mimo to mogą prowadzić do jednej z najważniejszych odpowiedzi w nauce. W fizyce bywa przewrotnie: czasem największe pytania Wszechświata zależą od cząstek, których prawie nie da się złapać.

Źródło: Serwis Naukowy UW

Rafał Bernasiński