Tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki otrzymał prof. Francis Halzen z University of Wisconsin–Madison – za decydujący wkład w rozwój IceCube Neutrino Observatory oraz odkrycie wysokoenergetycznych neutrin pochodzenia astrofizycznego. O znaczeniu nagrodzonych badań opowiadają naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego: dr hab. Łukasz Stawarz, prof. UJ, oraz prof. dr hab. Michał Praszałowicz.

Królewska Szwedzka Akademia Nauk ogłosiła 6 października, że laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2026 roku został prof. Francis Halzen. Naukowiec został uhonorowany za badania związane z IceCube Neutrino Observatory – wyjątkowym detektorem wykorzystującym kilometr sześcienny antarktycznego lodu do obserwacji neutrin docierających do Ziemi z odległych źródeł kosmicznych.

IceCube znajduje się na biegunie południowym. Umieszczone głęboko w lodzie detektory pozwalają rejestrować niezwykle rzadkie sygnały powstające w wyniku oddziaływania neutrin z materią. Odkrycie wysokoenergetycznych neutrin pochodzenia astrofizycznego otworzyło nowe możliwości badania najbardziej energetycznych procesów zachodzących we Wszechświecie.

Znaczenie nagrodzonych badań przybliża dr hab. Łukasz Stawarz, prof. UJ:

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w roku 2026 została przyznana prof. Francisowi Halzenowi z University of Wisconsin-Madison za opracowanie i rozwój eksperymentu IceCube Neutrino Observatory, zlokalizowanego na biegunie południowym, w którym rejestrowane są wysokoenergetyczne neutrina pochodzenia kosmicznego.

Eksperymenty wykorzystujące wodne detektory Czerenkowa były w ostatnich dekadach bardzo intensywnie rozwijane i stosowane do detekcji wysokoenergetycznych cząstek promieniowania kosmicznego, promieniowania gamma ze źródeł kosmicznych, a także neutrin. Jednym z najważniejszych eksperymentów w tej dziedzinie był Kamiokande, a następnie jego następca, Super-Kamiokande. Kontynuacją tych badań jest obecnie budowany Hyper-Kamiokande, w którego przygotowaniu i programie naukowym aktywnie uczestniczy nasz zespół z UJ. Eksperymenty te specjalizują się w rejestracji neutrin o energiach sięgających gigaelektronowoltów i niższych. Źródłem takich neutrin są między innymi reakcje termojądrowe zachodzące we wnętrzu Słońca oraz procesy prowadzące do powstawania tzw. neutrin atmosferycznych. Te ostatnie produkowane są w atmosferze Ziemi w wyniku oddziaływań wysokoenergetycznych cząstek promieniowania kosmicznego, przede wszystkim protonów i jąder cięższych pierwiastków, z materią atmosfery.

Za odkrycie oscylacji neutrin w eksperymencie Super-Kamiokande, stanowiące dowód na to, że neutrina mają niezerową masę, prof. Takaaki Kajita z Uniwersytetu Tokijskiego, wraz z prof. Arthurem B. McDonaldem, otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2015 roku.

Detektor IceCube różni się zasadniczo od tych eksperymentów zakresem energii rejestrowanych neutrin. Są to przede wszystkim neutrina o energiach powyżej gigaelektronowoltów, sięgających aż do zakresu petaelektronowoltów (PeV, 10^15 eV). Detekcja takich neutrin, których strumień jest niezwykle mały i które – jak wszystkie neutrina – bardzo słabo oddziałują z materią, wymagała osiągnięcia wyjątkowej czułości eksperymentu oraz budowy detektora o ogromnej objętości. Dodatkowym wyzwaniem było odróżnienie wysokoenergetycznych neutrin pochodzenia kosmicznego od neutrin o podobnych energiach, ale produkowanych w atmosferze ziemskiej.

Efektem wieloletniej pracy zespołu IceCube, kierowanego przez prof. Halzena, było ostatecznie wykrycie wysokoenergetycznych neutrin pochodzących z odległych źródeł astrofizycznych. Nadal nie wiemy z całą pewnością, jakie klasy obiektów odpowiadają za większość obserwowanego strumienia tych cząstek. Jedną z najbardziej prawdopodobnych możliwości są aktywne jądra galaktyk, w których supermasywne czarne dziury akreują otaczającą je materię, produkując silnie namagnetyzowane, relatywistyczne wypływy plazmowe, w których protony mogą być przyspieszane do bardzo wysokich energii.

Tak przyspieszone protony mogą następnie w nieelastycznych zderzeniach z innymi protonami produkować piony. Rozpady naładowanych pionów prowadzą między innymi do powstawania wysokoenergetycznych neutrin. Obserwacja takich neutrin otworzyła zatem nowe okno na badanie najbardziej energetycznych procesów zachodzących we Wszechświecie, w tym procesów związanych z otoczeniem supermasywnych czarnych dziur. Osiągnięcie to stanowi podstawę przyznania Nagrody Nobla w roku 2026.

Warto dodać, że zarówno prof. Takaaki Kajita, jak i prof. Francis Halzen byli zaproszonymi wykładowcami międzynarodowej konferencji zorganizowanej przez nas na Uniwersytecie Jagiellońskim we wrześniu 2025 roku, poświęconej podsumowaniu stanu i perspektyw eksperymentów wykorzystujących wodne detektory Czerenkowa.

Dr hab. Łukasz Stawarz, prof. UJ

Sylwetkę tegorocznego noblisty oraz jego związki z polskim i krakowskim środowiskiem naukowym uzupełnia prof. dr hab. Michał Praszałowicz:

Warto zaznaczyć, że kariera naukowa prof. Halzena jest raczej nietypowa. Na wczesnym etapie od końca lat 60. XX wieku zajmował się fizyką teoretyczną cząstek elementarnych. Pierwsze prace dotyczące neutrin pojawiają się w jego dorobku w latach 80. W latach 90. jego zainteresowania przesuwają się wyraźnie w kierunku doświadczalnej fizyki neutrin.

Profesor Halzen wielokrotnie odwiedzał Polskę. Trzy razy uczestniczył w tzw. Krakowskiej Szkole Fizyki Teoretycznej organizowanej przez środowisko krakowskie nieprzerwanie od roku 1961, gdzie wygłosił wykłady, które są dostępne na stronach ww. konferencji. Jest autorem lub współautorem dziewięciu artykułów opublikowanych w wydawanym przez UJ i PAU czasopiśmie „Acta Physica Polonica B”.

Neutrina były „lekarstwem”, jakie w 1930 Wolfgang Pauli zaproponował, aby wyjaśnić pozorne niezachowanie energii w rozpadzie beta jąder trytu. Uczynił to w liście do uczestników seminarium poświęconego radioaktywności, w którym nie mógł wziąć udziału ze względu na odbywający się w tym czasie w Zürichu bal. Doświadczalnie hipoteza neutrina została potwierdzona dopiero w roku 1956.

Badanie neutrin łączy wiele gałęzi nauki: doświadczalną i teoretyczną fizykę cząstek, astrofizykę i kosmologię, a także astronomię. I wreszcie technologię, gdyż detektory używane do obserwacji neutrin powinny być jak największych rozmiarów, gdyż prawdopodobieństwo ich oddziaływania z materią jest bardzo małe. Typowo używano gigantycznych zbiorników z wodą, ciężką wodą lub specjalnymi roztworami chemicznymi. Nowatorstwo projektu zaproponowanego przez prof. Halzena polega na wykorzystaniu lodu antarktycznego, w którym umieszczone są specjalne detektory. Objętość detektora o nazwie IceCube („kostka lodu”) wynosi 1 km³.

Prof. dr hab. Michał Praszałowicz

Prof. Francis Halzen oraz prof. Takaaki Kajita wśród uczestników II EU Workshop on Water Cherenkov Experiments for Precision Physics, zorganizowanego na Uniwersytecie Jagiellońskim we wrześniu 2025 roku.