Dwa tysiące lat temu rzymski statek płynący z ładunkiem sztab ołowiu pochodzącego z kopalń Sierra de Cartagena w Hiszpanii zatonął u wybrzeży Sardynii. Z odnalezionego wraku w 2011 r. wydobyto ołów – mimo że dziś ceny tego surowca nie są wysokie, znalazł się kupiec gotów zapłacić za ten konkretny ołów. Ponad sto jego sztab posłużyło do budowy detektora CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events), działającego w Narodowym Obserwatorium Gran Sasso we Włoszech.
Laboratorium to specjalizuje się w wykrywaniu neutrin, czyli najbardziej przenikliwych, niemal pozbawionych masy, cząstek elementarnych. Są przedmiotem szczególnego zainteresowania naukowców, ponieważ mogą wiele powiedzieć o Wszechświecie.
Sztaby ołowiu, spoczywające przez 2 tys. lat głęboko pod wodą, okazały się dla fizyków neutrin bezcenne, ponieważ są wolne od zanieczyszczeń pierwiastkami i izotopami promieniotwórczymi, które mogłyby zaburzyć detekcję tych cząstek. Współczesne metody produkcji ołowiu nie są w stanie dać takiej czystości. Podobny los spotkał ołów wieziony przez galeon, który zatonął u wybrzeży Francji w XVIII w. Poszukiwacze podwodnych skarbów sprzedali surowiec fizykom pracującym przy detektorze, który poszukuje cząstek ciemnej materii kosmicznej – Cryogenic Dark Matter Search (CDMS). Działa on w kopalni Soudan Mine w Minnesocie.
Ale losy zatopionych sztab ołowianych zainteresowały archeologów. Domagają się oni od fizyków pracujących w Gran Sasso i przy detektorze CDMS w Minnesocie zwrotu przejętych skarbów. Archeolodzy uważają, że fizycy zniszczyli historyczne dziedzictwo i postąpili wbrew konwencji UNESCO z 2001 r., która chroni wszelkie dobra kulturalne spoczywające w zatopionych wrakach statków. Twierdzą, że miejsce dla tych skarbów jest w muzeum. Dyskusja trwa, rozwiązania nie ma i sprawa pewnie znajdzie finał w sądzie. Wyrok może mieć wpływ na los kolejnego transportu ołowiu odnalezionego w 2000 r. we wraku rzymskiego korabu przewozowego Bou Ferrer. Zatonął on ok. 2 tys. lat temu blisko Alicante podczas podróży z Kadyksu do Ostii. Inskrypcje na sztabach wskazują, że ołów ten należał do samego cezara, prawdopodobnie Klaudiusza lub Nerona. Czy znów skarb przejmą fizycy poszukujący neutrin lub cząstek ciemnej materii?
Cząstki widma
Neutrina to jedne z najbardziej niezwykłych cząstek elementarnych materii. Ich istnienie teoretycznie przewidział słynny szwajcarski fizyk Wolfgang Pauli w 1930 r., analizując promieniotwórczy rozpad beta (w którym jeden z neutronów w jądrze atomu staje się protonem). Stwierdził, że energia obserwowanych cząstek produkowanych w takich rozpadach jest zbyt mała, i zasugerował istnienie nowej, nieobserwowanej cząstki. Nazwano ją neutrinem, co po włosku jest zdrobnieniem słowa neutron. Nazwa ta miała też sugerować, że chodzi o coś bardzo małego i neutralnego. Neutrino eksperymentalnie zostało odkryte w 1956 r., a osiągnięcie to zostało uhonorowane Nagrodą Nobla.
Neutrina mają zerowy ładunek elektryczny i niezwykle małą masę, której nie udało się dotąd dokładnie zmierzyć. Bardzo trudno je wykryć, bo słabo oddziałują z materią. Nie biorą udziału w oddziaływaniach elektromagnetycznych ani silnych, a tylko w oddziaływaniach słabych (rozpad beta) i grawitacyjnych.
– Gdybyśmy chcieli zbudować ścianę nieprzepuszczającą neutrin, musiałaby ona mieć grubość wielu lat świetlnych! Neutrina wciąż przelatują przez nas w ogromnych ilościach, jednak szansa na to, że jakieś zderzy się z atomem otaczającej materii, z której sami się składamy, jest niezwykle mała – wyjaśnia dr Paweł Przewłocki z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ), członek Warszawskiej Grupy Neutrinowej, zespołu zajmującego się fizyką neutrin. – Na szczęście jest ich mnóstwo i co jakiś czas jedno z nich zderza się, a w efekcie powstają inne cząstki, które możemy zobaczyć. Tylko w ten sposób możemy się o istnieniu neutrin czegoś dowiedzieć, ich samych bezpośrednio nie da się zaobserwować.
Istnieją trzy rodzaje neutrin: neutrina elektronowe, mionowe i taonowe. Odróżniają je oddziaływania, jakim podlegają, oraz cząstki, które w wyniku tych oddziaływań są produkowane. Ze względu na swe unikatowe właściwości neutrina są gratką dla badaczy. Inne cząstki wchodzące w skład promieniowania kosmicznego – elektrony, protony, neutrony, a nawet fotony w wyniku oddziaływania z otoczeniem tracą swoją energię i kierunkowość, przez to informacja, którą niosą, staje się zaburzona. Inaczej jest z neutrinami – te bez przeszkód, prawie niczym niezakłócane, mkną przed siebie, niosąc czystą informację o swoim pochodzeniu. Niestety, bardzo trudno je pochwycić.
Ważnym naturalnym źródłem neutrin jest Słońce, ponieważ zachodzą w nim reakcje jądrowe, a w ich wyniku powstaje wiele cząstek, w tym właśnie neutrina. Neutrina słoneczne mają stosunkowo niską energię, ale powstają nieprzerwanie. Innym źródłem jest atmosfera, w którą uderzają rozpędzone cząstki promieniowania kosmicznego, głównie protony docierające z kosmosu. W wyniku zderzeń powstają kaskady różnych cząstek, w tym neutrin o dość dużej energii.
Neutrina może produkować sama Ziemia w wyniku rozpadu promieniotwórczego jej niektórych pierwiastków. Istnieją też neutrina otrzymywane sztucznie w akceleratorach. Od lat jednak podejrzewano, że neutrina, i to najbardziej energetyczne, docierają także z odległych źródeł kosmicznych, jednak długo nie udawało się ich wykryć. Dokonali tego uczeni z arktycznego obserwatorium Ice Cube Neutrino Observatory.
Poszukiwania w różnych ośrodkach trwały ok. 40 lat. Dopiero teraz jednak między majem 2010 a majem 2012 r. badacze z obserwatorium Ice Cube zarejestrowali 28 zderzeń neutrin kosmicznych, a informacja o tym ukazała się w czasopiśmie „Science” pod koniec 2013 r. Wśród pochwyconych 26 neutrin miało energię 50 bln elektronowoltów, a energia dwóch – nazwano je Bert i Ernie – przekroczyła biliard elektronowoltów. Dla porównania, energia cząstek przyspieszanych w akceleratorze LHC w laboratorium CERN pod Genewą to 4 bln elektronowoltów.
Wiadomo, że neutrina te pochodzą spoza naszego Układu Słonecznego i że tak dużą energię nadały im jakieś bardzo burzliwe i energetyczne zjawiska kosmiczne. Znawcy zagadnienia uważają, że odkrycie ma wielkie znaczenie i pozwoli na powstanie nowej dziedziny wiedzy, którą można nazwać astrofizyką neutrin. Co ta nowa astrofizyka będzie badać? Wiele. W widmie neutrin wszystko to, co astrofizyka zwykła bada w widmie światła widzialnego. To może nam powiedzieć dużo o naturze źródeł neutrin, np. aktywnych galaktyk. Ale nie tylko badanie neutrin wysokoenergetycznych ma przyszłość. Te o mniejszych energiach, emitowane np. podczas wybuchów gwiazd supernowych, też są bardzo ciekawe. Obecnie uczeni starają się ustalić, czy niektóre neutrina kosmiczne nie pochodzą z anihilacji cząstek ciemnej materii. Istnieją już zespoły badawcze analizujące ten problem. Zresztą niegdyś uważano, że to właśnie neutrina są cząstkami tajemniczej ciemnej materii, która stanowi aż 25 proc. energetyczno-materialnego bilansu Wszechświata. Dzisiaj wiadomo już, że tak nie jest i że ciemna materia jest zbudowana z nieznanych nam cząstek, które z naszym światem oddziałują wyłącznie grawitacyjnie. Kolejna zagadka, w której rozwiązaniu może być pomocne badanie niektórych neutrin, to skąd we Wszechświecie wzięła się asymetria materii i antymaterii? Dlaczego w znanym nam kosmosie więcej jest tej pierwszej, skoro z fizycznego punktu widzenia w wyniku Wielkiego Wybuchu materii i antymaterii powinno być tyle samo?
Jak pochwycić neutrina?
To niełatwe zadanie. Przede wszystkim detektor musi być ukryty głęboko pod ziemią, by nie docierały do niego inne niepożądane cząstki. Zatrzymuje je warstwa ziemi i skał. Japoński detektor Super-Kamiokande to gigantyczny walec, ukryty głęboko w nieczynnej kopalni i zalany 50 tys. ton wody, w którym umieszczono tysiące detektorów światła. Gdy neutrino zderzy się z innym obiektem, na przykład jądrem atomowym, wywołuje emisję innych cząstek, które oddając swoją energię, zaczynają świecić. Jest to oczywiście bardzo słabe światło, czasem to tylko pojedyncze fotony – okiem nie udałoby się go zauważyć – więc by je odebrać, w detektorze montuje się tysiące niezwykle czułych optycznych rejestratorów. Analiza światła daje badaczom możliwość zbadania neutrin. Chociaż neutrina bez przerwy, i to w niewyobrażalnych ilościach, przelatują przez Ziemię, detektor taki jak Super-Kamiokande jest w stanie zarejestrować zaledwie kilkadziesiąt zderzeń neutrin dziennie.
Inne wielkie obserwatorium – wspomniane Ice Cube – działa na biegunie południowym i jest gigantycznym blokiem lodu o rozmiarach kilometr na kilometr na kilometr. Przy jego budowie wykorzystano lód biegunowej czapy lodowej – w którym wydrążono w głąb wiele pionowych tuneli, po czym wpuszczono w nie 86 lin, na których wisi 5160 optycznych modułów cyfrowych, rejestrujących światło pochodzące z cząstek powstałych po zderzeniu neutrin. Głęboko pod ziemią pracuje też detektor CUORE w laboratorium Gran Sasso we Włoszech. Jak widać, poszukiwanie i badanie neutrin to dość ciężka, niemal górnicza praca.