Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki podzielą między siebie Takaaki Kajita z Japonii i Arthur B. McDonald z Kanady za "odkrycie oscylacji neutrin, zjawiska, które potwierdziło, że neutrina mają masę". To odpowiedź na jedno z kluczowych pytań, dotyczących zarówno budowy najdrobniejszych składników materii, jak i praw rządzących całym Wszechświatem.
Żyjemy w świecie pełnym neutrin, miliardy z nich w każdej chwili przenikają nasze ciało, nie czujemy ich i nie możemy ich zauważyć. Poruszają się z prędkością bliską prędkości światła i ze względu na brak ładunku elektrycznego praktycznie nie oddziałują z materią. Równie łatwo, jak przez nasze ciało, przenikają przez całą Ziemię. Dlatego właśnie bardzo trudno je badać.
Twoja przeglądarka nie obsługuje standardu HTML5 dla audio
Neutrina tworzą się w całej serii procesów, większość tych, które docierają do Ziemi powstaje w reakcjach jądrowych w głębi Słońca, wiele dociera do nas z dalekich obszarów Wszechświata, jako ślad eksplozji masywnych gwiazd, tworzą się też na Ziemi, w reaktorach jądrowych i w trakcie rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. Jest wreszcie jeszcze jedna klasa neutrin, to te, które tworzą się w reakcji promieniowania kosmicznego z atmosferą Ziemi.
Ze względu na ulotność neutrin, ich badania można prowadzić tylko w specjalnych podziemnych, wypełnionych wodą lub ciężką wodą obserwatoriach, które zwiększają szanse na to, że neutrino zderzy się z jakimś jądrem atomu i uda się skutki tego zderzenia zarejestrować. Takaaki Kajita w 1998 roku ogłosił, że neutrina atmosferyczne, rejestrowane w obserwatorium Super-Kamiokande w Japonii ulegają swoistej metamorfozie, zmieniają tożsamość. W 2001 roku, podobny efekt, występujący wśród neutrin słonecznych, rejestrowanych w Sudbury Neutrino Observatory w Kanadzie, opisał Arthur B. McDonald.
Oba te eksperymenty pokazały nowe zjawisko, które nazwano oscylacjami neutrin. Pozwoliło ono wyjaśnić zagadkę, z którą badacze zmagali się już od dziesięcioleci. Porównanie wyników doświadczeń z obliczeniami teoretycznymi wskazywało, że nawet dwie trzecie neutrin po drodze na Ziemię znika. Teraz okazało się, że za ten efekt odpowiada właśnie owa transformacja. Co więcej, wnioski płynące z tego odkrycia dały dowód, że wbrew przewidywaniom, neutrina mają masę, niewielką, ale różną od zera. To odkrycie o kluczowym znaczeniu zarówno dla badań cząstek elementarnych, jak i całego Wszechświata.
Istnienie takie lekkiej i przenikliwej cząstki po raz pierwszy, nieśmiało zaproponował Wolfgang Pauli, jako sposób zapewnienia zachowania energii w rozpadzie promieniotwórczym beta. Jego postulat rozwinął w postaci eleganckiej teorii Enrico Fermi. To wtedy cząstkę nazwano neutrinem. Jego istnienie udało się potwierdzić dopiero w połowie lat 50., kiedy na masową skalę zaczęły je wytwarzać budowane właśnie reaktory jądrowe. W 1956 roku Frederick Reines i Clyde Covan mogli wysłać do Pauliego telegram z potwierdzeniem, że postulowana przez niego cząstka faktycznie istnieje.
Model Standardowy, teoria opisująca budowę i oddziaływania cząstek elementarnych przewiduje istnienie trzech typów neutrin, neutrina elektronowego, neutrina mionowego i neutrina taonowego. Każde z nich ma swojego obdarzonego ładunkiem "partnera", to elektron lub dwie cięższe cząstki mion lub taon. Słońce emituje tylko neutrina elektronowe, na Ziemi obserwuje się ich jednak znacznie mniej, niż teoria przewiduje. Dzięki pracom zespołów badawczych Takaaki Kajity i Arthura B. McDonalda, wiadomo już dlaczego, ulegają przemianie w neutrina mionowe i taonowe. Taka przemiana możliwa jest pod warunkiem, że masa neutrin jest różna od zera.
To ogromna radość, profesor Kajita jest bardzo miłym człowiekiem i bardzo, bardzo dobrym fizykiem - mówi RMF FM prof. Agnieszka Zalewska z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, przewodnicząca Rady CERN. Takaaki Kajita jest jednym z badaczy zaangażowanych w międzynarodowy projekt badań neutrin T2K, w którym to eksperymencie uczestniczy duża polska grupa. Pod właśnie wydaną wspólną publikacją jest ok. 30 polskich nazwisk. Występujemy tam więc razem z tegorocznym laureatem nagrody Nobla - dodaje.
Polskie silne zaangażowanie w badania neutrin wynika z faktu, że mieliśmy dwoje bardzo zasłużonych fizyków, którzy wcześnie w tę dziedzinę weszli - to prof. Danuta Kiełczewska i prof. Marcin Wójcik - mówi prof. Zalewska. Prof. Kiełczewska brała udział w eksperymentach dotyczących badań neutrin atmosferycznych, najpierw w programie amerykańskim, jeszcze w latach 80., potem te grupy się połączyły i wspólnie brały udział w eksperymencie Super-Kamiokande - wyjaśnia. Detektor został uruchomiony w 1996 roku, a już w 1998 roku nastąpiło odkrycie. Prof. Kiełczewska z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego była jednym ze współautorów pracy "Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos", która opisała ten efekt.
Zdaniem prof. Zalewskiej, nagroda dla profesora Kajity może pomóc w dalszym rozwoju badań neutrinowych w Japonii, co będzie miało znaczenie także dla polskich badaczy. W tej chwili ważnym pytaniem jest przyszłość projektu budowy bardzo drogiego, nowego, kilka razy większego detektora Hiper-Kamiokande. Nagroda Nobla może pomóc, może przekonać rząd japoński, że warto dalej inwestować w fizykę neutrin, bo ona dostarcza Nobli - podkreśla przewodnicząca Rady CERN.