Nobelovku „z ledu“ vynesl fascinující výzkum, který lidem možná nijak nepomůže

Pokaždé, když astronomové otevřeli na obloze nové okno – začali ji pozorovat v jiném typu záření –, našli něco, co nehledali. Riccardo Giacconi postavil rentgenový detektor, aby zachytil paprsky ze Slunce odražené od Měsíce, a místo nich našel neutronové hvězdy a dvojhvězdy. Arno Penzias a Robert Wilson se zaměřili na mikrovlny a narazili na „ozvěnu“ Velkého třesku.

Této skutečnosti si už v roce 1999 všiml belgický fyzik Francis Halzen v eseji pro časopis The Sciences. Jeho tým tehdy otevíral „nové okno“ do vesmíru s pomocí detektoru AMANDA. Letos se ukázalo, že si Halzen cíl stanovil zřejmě dobře – za „okno“, které nakonec opravdu postavil, dostal Nobelovu cenu za fyziku. Po 34 letech je to poprvé, co cenu získal jediný nositel.

Ocenění získal konkrétně za svou práci na detektoru IceCube, nástupci AMANDA. Ten funguje od roku 2011 a prokázal, že k Zemi přilétají z vesmíru (například z centra naší galaxie) neutrina s energiemi daleko nad možnostmi pozemských urychlovačů.

Nobelův výbor ocenil v první řadě přístroj. Formulace se skoro doslova shoduje se zdůvodněním z roku 2017, kdy výbor ocenil rozhodující příspěvek k detektoru gravitačních vln LIGO. Předseda Nobelova výboru pro fyziku Mark Pearce ale zmínil i Halzenovu houževnatost a vizi, které otevřely cestu novému druhu astronomie.

Francis Halzen se narodil v roce 1944 v belgickém Tienenu, doktorát získal v roce 1969 na Katolické univerzitě v Lovani a od roku 1972 působí na Wisconsinské univerzitě v Madisonu. Je teoretik, částicový fyzik a celé generace studentů znají jeho jméno z obálky učebnice Quarks and Leptons, kterou napsal s Alanem Martinem.

Ke svému oceněnému projektu se dostal oklikou. Na podzim 1987 přednášel na univerzitě v Kansasu a glaciolog Ed Zeller mu tam vyprávěl o sovětských plánech na zachytávání neutrin v antarktickém ledu rádiovými anténami. Srážka neutrina s atomovým jádrem měla totiž v ledu vyvolat slabý rádiový signál. Halzen s dvojicí kolegů spočítal, že pro neutrina, o která mu šlo, by byl signál příliš slabý. A napadlo ho, zda by místo rádiového šumu nešlo hledat záblesk světla, který je možné zachytit.

Halzen uvádí, že mu k nápadu pomohla neznalost. V eseji z roku 1999 napsal, že stejná myšlenka nejspíš napadla i jiné a ti ji zavrhli. Kdyby měl přehled o tom, co se tehdy vědělo o optických vlastnostech přírodního ledu, zavrhl by ji nejspíš také.

Při debatách nad nápadem rychle došlo na výhody Jižního pólu. Americká Národní vědecká nadace (NSF) tam provozovala výzkumnou stanici i s pravidelnou dopravou a zázemím pro práci. Hluboký led je tmavý a stabilní, Antarktida skoro nezná zemětřesení a na rozdíl od moře v ledu nesvítí žádné organismy ani neruší radioaktivní draslík z mořské soli. Nemluvě o tom, že po „střeše“ experimentu se dá bez problému chodit. Po zkušebním měření v grónském ledovci v roce 1990 se tak v antarktickém létě 1992 začalo pracovat přímo na pólu.

Na Štědrý den roku 1993 usedal Halzen v rodinném domě v Tienenu k pozdní večeři. Stůl byl podle belgického zvyku bohatě prostřený, on ale jídlo skoro nevnímal, jak sám píše: na kolenou měl notebook a hlavu na jižním pólu. Zpráva dorazila, až když se podával zákusek: „First string deployed“, tedy první šňůra je dole (detektor tvoří velké „šňůry“, na kterých jsou jako korálky navlečeny senzory). Odesílatel byl prý tak unavený, že víc nenapsal.

Vánoční euforie brzy opadla. V hloubce 800 až 1000 metrů byl led plný vzduchových bublin, navíc padesátkrát větších, než glaciologové předpovídali. Ty rozptylovaly světlo tak, že z jasné stopy částice zbyla už po půl metru jen rozmazaná skvrna.

Zároveň se ale ukázalo, že led sám je mnohem průzračnější a modré světlo jím prošlo na sto metrů místo předpovězených osmi. Tým přišel o rok a musel vrtat znovu a hlouběji, pod úrovní 1400 metrů, kde bubliny mizí. Podle Halzena měl projekt jednoduše štěstí, že led byl tak čirý – vědci to dopředu nevěděli.

První projekt Halzena a jeho týmu, AMANDA, se stavěl po etapách až do roku 2000. Fungoval, ale na vzácná kosmická neutrina byl jednoduše malý. Neutrina totiž prolétnou téměř jakoukoliv hmotou beze srážky, a aby je bylo možné zachytit (zvláště ta vzácná), je nutné rozprostřít síť hodně doširoka.

Halzen proto v roce 1999 podal návrh na další detektor o objemu jednoho kubického kilometru a NSF ho v roce 2002 schválila. Mezi lety 2005 a 2010 pak vrtaři horkou vodou vytavili v ledu 86 děr a spustili do nich kabely s celkem 5160 světelnými čidly. Stavba stála 279 milionů dolarů (v přepočtu přibližně šest miliard korun), z toho asi 242 milionů zaplatila NSF. Dnes na IceCube pracuje kolem 450 lidí z 58 institucí ve 14 zemích.

Co se v ledu vlastně děje, když jím neutrino proletí? Většinou vůbec nic. Neutrino ledem prostě projde, stejně jako prstem nebo celou planetou. Nemá elektrický náboj, má téměř nulovou hmotnost a hmotou prochází, jako by tam nebyla. Každou sekundu tak proletí nehtem vašeho malíčku 65 miliard neutrin ze Slunce, aniž byste cokoli poznali.

Vědci v IceCube ovšem nehledají běžná neutrina. Zajímají je ta s vysokými energiemi z hlubokého vesmíru, která jsou naopak velmi vzácná. Neutrin s vysokými energiemi (nad 100 TeV) proletí krychlovým kilometrem Země zhruba jedno za minutu. (Teraelektronvolt, TeV, je jednotka energie. Srážky protonů na největším urychlovači LHC mají 13,6 TeV.)

Pouze málokteré z těch vzácných neutrin se v detektoru srazí s atomovým jádrem. Opravdu „energetické“ neutrino s energií 1000 TeV se při průletu kilometrem ledu srazí zhruba v jednom z 18 tisíc pokusů. A tak v miliardě tun ledu v IceCube zachytí ročně jen kolem stovky kosmických neutrin.

Když neutrino do jádra přece jen narazí, vzniknou nabité částice, které letí zhruba ve směru původního neutrina: podle okolností mion (těžší příbuzný elektronu), elektron nebo celá sprška úlomků. Světlo se v ledu šíří pomaleji než ve vakuu, rychlostí asi 229 tisíc kilometrů za sekundu. Částice ze srážky ale letí skoro rychlostí světla ve vakuu, takže světlo v ledu předbíhají. Podobně jako nadzvukové letadlo táhne za sebou kužel rázové vlny, zanechávají za sebou kužel slabého modrého a ultrafialového světla, kterému se říká Čerenkovovo záření.

Zachytí ho skleněné koule s fotonásobiči, které Halzen popisuje jako žárovku naruby: světlo do nich vstoupí a ven vyjde elektrický signál. Podle toho, co při srážce vznikne, zanechá událost v detektoru jednu ze dvou stop. Mion táhne ledem rovnou čáru, často dlouhou i kilometry, ze které lze velmi přesně zachytit, odkud částice přilétla.

Ostatní srážky vytvoří zhruba desetimetrovou kouli světla, takzvanou kaskádu. U té lze dobře určit energii částic, směr ovšem ne. Nejpřesnější směry a nejpřesnější energie tak dávají různé události, což je jeden z důvodů, proč se zdroje neutrin hledají tak těžko.

K tomu se přidává šum. Kosmické záření, které dopadá na atmosféru nad pólem, posílá do detektoru asi tři tisíce mionů za sekundu, přes sto milionů denně, a k tomu ročně kolem 100 tisíc neutrin vzniklých v atmosféře. Na jednu užitečnou událost tak připadá miliarda neužitečných.

Fyzici si pomáhají dvěma triky. Dívají se „dolů“ a celou Zemi používají jako filtr. Zespodu, skrz celou planetu, se do detektoru dostanou jen neutrina, všechno ostatní se cestou zastaví. A sledují energii, protože nad několika desítkami TeV už kosmická neutrina začínají nad těmi atmosférickými převažovat.

Hon na neutrina z vesmíru má kořeny v hádance staré přes sto let. V roce 1912 Victor Hess objevil kosmické záření (Nobelovu cenu za to dostal v roce 1936). Jde převážně o protony, z nichž některé mají energii daleko nad možnostmi jakéhokoli pozemského urychlovače. Kde se tak urychlí, dodnes nevíme. Protony jsou nabité, magnetická pole ve vesmíru je cestou ohýbají, a ze směru, odkud přiletí, se proto jejich původ vyčíst nedá. Gama záření sice letí přímo, ale cestou ho pohlcuje hmota i jiné záření.

Ve stejných srážkách, v nichž vzniká gama záření, se ovšem rodí i neutrina (rozpadem krátce žijících částic zvaných piony). Ta letí rovně a téměř nic je nezastaví. Ukazují tedy nejspíš i na místo, kde se rodí kosmické záření.

V roce 2013, po dvou letech měření, tým náhodou našel v datech dvě události s energií přes jeden PeV. Ve stejných datech se pak našlo celkem 28 událostí a v roce 2014 fyzici s velkou pravděpodobností vyloučili, že by všechny vznikly v atmosféře.

Jak přibývá měření, začíná se rýsovat, odkud k nám takoví „rekordmani“ přicházejí. Prvním potvrzeným zdrojem je Mléčná dráha. Signál ale není tak přesný, aby bylo možné říci přesněji, které objekty v ní jsou zdrojem.

Většina neutrin s vysokou energií ovšem přichází z jiných částí vesmíru. Pro IceCube vypadá obloha opačně než pro naše oči – ve viditelném světle naše galaxie na noční obloze vévodí, v neutrinech ji vzdálený vesmír „přesvítí“ zhruba desetinásobně.

Nejlépe popsané jsou dva možné zdroje. Jedním je galaxie NGC 1068 (známá také jako M77), vzdálená asi 46 milionů světelných let. V jejím centru je zřejmě skrytý zdroj, který v jiných částech spektra nevidíme. Zachycená neutrina podle všeho vznikají velmi blízko černé díry v jádru galaxie, tedy v místě, odkud neuniká světlo.

Druhý kandidát je blazar TXS 0506+056, který leží ještě zhruba stokrát dál. Blazar je aktivní galaxie, jejíž výtrysk hmoty a energie, vyvržený z okolí centrální černé díry, shodou okolností míří téměř přímo k nám, a proto ho vidíme mimořádně jasně. Neutrina zřejmě vznikají právě v tomto výtrysku.

Říkáme zřejmě, protože měření zdrojů mimo naši galaxii nejsou tak důkladná, aby tvrzení bylo možné považovat za jasně potvrzená. Ale pokud bychom pozorování uznali, i tak se zatím (dohromady s Mléčnou dráhou) podařilo najít zdroje pro zhruba 11 % z přilétajících neutrin s vysokými energiemi. Původ těch zbylých neznáme.

Z rozdílů mezi NGC 1068 a TXS 0506+056 vědci nicméně usuzují, že zdroje budou nejméně dvojího druhu. O mnoho více zatím vlastně nevíme – a to celkem pochopitelně někomu přijde málo.

Přínosy neutrinového „okna“ do vesmíru, které nám IceCube otevřel, zatím nejsou veliké. Například německá teoretická fyzička a popularizátorka Sabine Hossenfelderová po vyhlášení uvedla, že IceCube je sice skvělý detektor a Halzen si cenu zaslouží, ale jinak nám výzkum v této oblasti vlastně nic neřekl.

Zatím podle ní dokázal jen to, že taková neutrina existují, o čemž většina fyziků nepochybovala. Tady dodejme, že to je výtka trochu nespravedlivá – nepřítomnost pochybností není důkazem toho, že něco opravdu existuje a dá se změřit. To potvrdí opravdu až samo měření.

Hůře se odpovídá na další výtku: Hossenfelderová připomíná Nobelovu závěť, podle níž má cena jít těm, kdo v uplynulém roce přinesli lidstvu „největší užitek“. Tady už se v případě antarktické observatoře pohybujeme na tenčím ledě.

Neutrina nám dávají možnost nahlédnout do okolí černé díry, odkud světlo neunikne a informací máme pomálu. Ovšem praktický užitek pro běžný život z toho nekouká (nikdo ho ovšem ani nesliboval).

Letošní cena je tak především odměnou za otevření nového pohledu na vesmír. Zda je to možné považovat za přínos lidstvu a jak veliký, to už je otázka, na kterou nelze objektivně odpovědět. Záleží na našich hodnotách, nikoliv na objektivním měření.

Neutrinová astronomie je také relativně mladý obor, který má to nejlepší nepochybně před sebou. Její hlavní přínos je věcí budoucnosti, ale rozvoj této disciplíny se rozhodně nezastavuje.

V ledu u Jižního pólu byl letos dokončen IceCube Upgrade, pět hustě osazených kabelů s víc než 600 novými čidly. Ve Středozemním moři mezitím evropský detektor KM3NeT zachytil 13. února 2023 neutrino o energii kolem 220 PeV, zatím nejenergetičtější, jaké kdo zaznamenal, a to v době, kdy stála jen desetina detektoru. Odkud přiletělo, nevíme (o rekordu jsme psali). Na KM3NeT se podílejí i fyzici z ÚTEF ČVUT.

Ovšem nástupce IceCube-Gen2, který by měl mít detektory rozmístěné v osmi kilometrech krychlových ledu, zatím existuje jen na papíře. Halzen se o Nobelově ceně dozvěděl během pracovní cesty v italském Bergamu, kde v hotelovém pokoji zrovna psal grantový návrh na další detektor. Nyní doufá, že mu cena pomůže návrh prosadit.

Slibovat, co nové detektory ukážou, ale odmítá. Když se ho kdosi zeptal, jak bude neutrinová astronomie vypadat za 50 let, odpověděl, že na to se odpovědět nedá – a že by nerad odpovídal, i kdyby se ho ptali, jak bude vypadat za rok.

Takže je vlastně na nás, abychom se rozhodli, zda a „za kolik“ nám tyto a další podobné experimenty stojí.