Neutrina to najbardziej nietowarzyskie cząstki we wszechświecie. Przepływają przez Ziemię, przez nasze ciała i wychodzą z drugiej strony, jakby nic się nie stało – bo dla nich prawie nic się nie dzieje. Te niewidzialne cząstki należą do najtrudniejszych do wykrycia rzeczy w całym istnieniu, a jednak naukowcy wciąż znajdują sposoby, by uchwycić dowody ich przelotu, otwierając nowe okna na kosmos i jego najbardziej ekstremalne środowiska.

Ta dziedzina okazała się zadziwiająco produktywna jak na coś zbudowanego na cząstkach, które odmawiają interakcji z czymkolwiek. Badania neutrin przyczyniły się do pięciu Nagród Nobla w dziedzinie fizyki. W tym roku fizyk Francis Halzen otrzymał nagrodę „za decydujący wkład w Obserwatorium Neutrin IceCube i odkrycie wysokenergetycznych neutrin pochodzenia astrofizycznego”.

George Fuller, wybitny profesor fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, od dziesięcioleci bada fizykę jądrową, astrofizykę cząstek i kosmologię. Współpracował także z Halzenem przy wczesnej pracy naukowej o IceCube. Jego wiedza pomaga wyjaśnić, co czyni neutrina tak niezwykłymi – i dlaczego naukowcy zbudowali ogromne obserwatorium głęboko w antarktycznym lodzie, by je badać.

Neutrina należą do grupy zwanej cząstkami elementarnymi, o których naukowcy sądzą, że nie mają mniejszych składników. Występują w trzech odmianach: neutrina elektronowe, mionowe i taonowe. W przeciwieństwie do cząstek naładowanych elektrycznie neutrina nie mają ładunku elektrycznego. Mają masę, ale jest ona niezwykle mała – potencjalnie około 10 milionów razy mniejsza niż masa elektronu. Ich dokładne masy pozostają nieznane, podobnie jak mechanizm odpowiedzialny za ich powstawanie.

Inną niezwykłą cechą jest zdolność do podróżowania przez materię niemal bez oporu. Ponieważ neutrina tak rzadko oddziałują z innymi cząstkami, mogą przemierzać ogromne odległości z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła.

Neutrina pochodzą z wielu różnych miejsc, w tym ze Słońca, odległych regionów kosmosu i źródeł, których naukowcy jeszcze nie zidentyfikowali. Są też zadziwiająco obfite. Szacunki sugerują, że wszechświat zawiera około 10^89 neutrin, co odpowiada mniej więcej miliardowi na każdy istniejący atom.

„Neutrina to naprawdę cząstki-widma” – stwierdził Fuller. „Trudno je zatrzymać. Trudno je złapać. Skąd w ogóle wiemy, że istnieją i gdzie są?”

Mimo swojej nieuchwytnej natury neutrina czasami oddziałują z materią poprzez fundamentalną siłę zwaną oddziaływaniem słabym. Siła ta jest około 20 rzędów wielkości słabsza od elektromagnetyzmu. Takie oddziaływania mogą powodować rozpraszanie lub pochłanianie neutrin, dając naukowcom sposób na ich wykrywanie. Jednak zdarzenia te są tak rzadkie, że ich obserwacja wymaga wyjątkowo czułej aparatury.

Ich zdolność do przenikania przez gęsty materiał czyni neutrina cennymi posłańcami z niedostępnych w inny sposób regionów wszechświata. Mogą uciekać z otoczenia zapadających się gwiazd i czarnych dziur, niosąc informacje, których inne formy promieniowania mogą nie ujawnić.

Skala tej niewidzialnej aktywności jest oszałamiająca. Około 100 miliardów neutrin przechodzi przez każdy centymetr kwadratowy twojego ciała w każdej sekundzie, niemal całkowicie niezauważenie.

„Ponieważ oddziaływanie jest tak słabe, neutrina mogą przeniknąć niemal wszystko” – powiedział Fuller. „Lata świetlne ołowiu – w zależności od ich energii, przeszłyby przez to na wylot”.

Poszukiwania neutrin rozpoczęły się na długo przed wynalezieniem technologii umożliwiającej ich obserwację. W latach 30. XX wieku fizyk Wolfgang Pauli zaproponował, że nieznana cząstka może wyjaśnić, dlaczego podczas niektórych form rozpadu promieniotwórczego wydawało się, że brakuje energii. Początkowo używał innej nazwy dla hipotetycznej cząstki (nazywał je wówczas „neutronami”).

Pauli rozumiał, jak trudno będzie zweryfikować jego pomysł. Słynnie przyznał się do problemu, mówiąc: „Zrobiłem straszną rzecz, postulowałem cząstkę, której nie można wykryć”.

Przez dziesięciolecia ne