Redakcja: Za co Nagrodę Nobla z fizyki w 2002 r. otrzymali R. Giacconi, R. Davis i M. Koshiba?

Dr Joanna Zalipska: Nagroda Nobla z fizyki z 2002 r. została przyznana za dwa albo nawet trzy dokonania. Część wyróżnienia dotyczyła pionierskich odkryć w astrofizyce i otrzymał ją Riccardo Giacconi za udowodnienie istnienia źródła promieniowania rentgenowskiego w kosmosie. Jak wiemy promieniowanie rentgenowskie to promieniowanie, którego używamy na przykład w medycynie. Takie źródła wykryto również w kosmosie, jakkolwiek to promieniowanie nie jest w stanie dotrzeć do Ziemi, ponieważ atmosfera ziemska je pochłania i konieczne jest wysłanie urządzeń badawczych w przestrzeń kosmiczną. Tego rodzaju badania prowadził właśnie Giacconi, który w roku 1962 wykazał, że w Gwiazdozbiorze Skorpiona istnieje źródło promieniowania rentgenowskiego, co zapoczątkowało w ogóle powstanie astrofizyki rentgenowskiej. Badania w tej dziedzinie udowodniły również ostatecznie istnienie czarnych dziur. Wiąże się to z faktem, że jeśli ciepły gaz z promieniowania spada na czarną dziurę, wtedy ona się bardzo nagrzewa i ten nagrzany gaz emituje promieniowanie rentgenowskie, które można obserwować.

Druga część Nagrody Nobla przypadła fizykom, którzy zmierzyli neutrina pochodzenia kosmicznego. Byli to Raymond Davis ze Stanów Zjednoczonych oraz Masatoshi Koshiba z Japonii. Neutrina stanowią jedne z cząstek elementarnych, czyli podstawowych budulców materii, z których składa się nasza materia i wszechświat. Takimi budulcami są też na przykład kwarki czy elektrony. Elektrony to cząstki naładowane, a takim towarzyszem neutralnym elektronu jest właśnie neutrino, które nazywamy neutrinem elektronowym. Poza elektronami w pozostałych rodzinach cząstek istnieją dwa cięższe elektrony, nazywane mionem i taonem. Analogicznie mamy przy nich również dwa dodatkowe neutrina, neutrino mionowe i neutrino taonowe.

Neutrina zostały zapostulowane w latach 30., a następnie odkryte w latach 50. XX w. Przez jakiś czas wiedziano o nich mało i wydawało się na przykład, że mają bardzo niewielką masę. Neutrina mogą pochodzić ze Słońca, tworzyć się w wybuchach gwiazd supernowych, być produkowane przez promieniowanie kosmiczne w atmosferze ziemskiej, bądź też sztucznie w reaktorach jądrowych lub akceleratorach. Badania Raymonda Davisa uhonorowane Nagrodą Nobla polegały na pierwszym pomiarze neutrin pochodzących ze Słońca. Był on pionierem i twórcą eksperymentu Homestake, który w końcu lat 60. i w latach 70. udowodnił istnienie neutrin elektronowych pochodzących z tego źródła.

Davis w swoim eksperymencie wypełnił zbiornik chlorem, spodziewając się takiego oddziaływania neutrina elektronowego z tym pierwiastkiem, w wyniku którego powstaje argon oraz dodatkowa cząstka. Argon należało następnie chemicznie wyekstrahować ze zbiornika z chlorem. W ten sposób udało się udowodnić, że reakcja z neutrinem elektronowym ze Słońca miała miejsce. Takich neutrin elektronowych w przeciągu zbierania danych przez około 20 lat zaobserwowano w eksperymencie właściwie tylko kilkanaście, a więc nie dużo, jakkolwiek udowodniono, że te neutrina rzeczywiście przychodzą ze Słońca na Ziemię.

Z tymi pomiarami wiązała się też pewna niewiadoma. Poprzez różne przewidywania teoretyczne można było obliczyć, ile neutrin ze Słońca należy się spodziewać w strumieniu docierającym na Ziemię. Okazało się jednak, że pomiary, których dokonano właśnie w eksperymencie Homestake pokazały, iż tych neutrin jest około 30% z całkowitej liczby, jakiej się spodziewano. Zapoczątkowało to długo nierozwiązaną zagadkę związaną z neutrinami słonecznymi, którą wyjaśniono dopiero około 30 lat później w innym eksperymencie.

Te pomiary i badania neutrin słonecznych kontynuował kolejny noblista, Masatoshi Koshiba, w swoim eksperymencie Kamiokande. W ramach jego realizacji użyto wielkiego zbiornika wypełnionego 3 kilotonami wody, który został tak naprawdę wybudowany nie tyle do rejestracji neutrin, co do poszukiwania rozpadu protonu. Naukowców nurtuje bowiem, czy protony, które wchodzą w skład jądra i naszej materii są cząstkami stabilnymi czy też ulegają rozpadowi. Ponieważ proces ten może zachodzić bardzo rzadko, do jego realizacji potrzebowano masywnych detektorów i taki stworzył właśnie Masatoshi Koshiba w Japonii. W wyniku rozpadu protonu może powstać np. pozytron i dwa dodatkowe kwanty gamma, cząstki które świecą w wodzie, co wiąże się z tzw. efektem Czerenkowa. W detektorze Kamiokande rozpadu protonu ostatecznie nigdy nie znaleziono, jakkolwiek okazał się on świetnym instrumentem do badania oddziaływań neutrin. Eksperyment zmierzył m. in. właśnie neutrina elektronowe pochodzące ze Słońca, które mierzył wcześniej Raymond Davis w projekcie Homestake i podobnie jak poprzednik wykazał, że ich ilość jest około 30% mniejsza od tej, jakiej byśmy się spodziewali ze Standardowego Modelu Słońca. Problem istnienia neutrin związany z produkowaniem neutrin słonecznych został tym samym potwierdzony.

Oglądaj całość