Wszystko, co widzisz wokół siebie – gwiazdy, planety, drzewa, koty, smartfony i twoje własne ciało – zbudowane jest z atomów. Atomy z kolei składają się z cząstek: protonów i neutronów tworzących jądro atomowe oraz krążących wokół niego elektronów.
A gdy fizycy zajrzeli jeszcze głębiej, odkryli świat cząstek elementarnych – najmniejszych znanych „klocków”, z których zbudowana jest materia. Jednymi z najbardziej zagadkowych są właśnie neutrina. Są tak lekkie i tak słabo oddziałują z otoczeniem, że przez długi czas naukowcy nie byli nawet pewni, czy naprawdę istnieją.
Powstają w wielu miejscach i procesach: w Słońcu, podczas wybuchów supernowych, w atmosferze Ziemi, w reaktorach jądrowych, a także w wiązkach neutrin wytwarzanych przez człowieka w eksperymentach akceleratorowych.
Czy te nieuchwytne cząstki elementarne pomogą nam wyjaśnić, dlaczego po narodzinach Wszechświata materia nie została całkowicie zniszczona przez antymaterię – swoje lustrzane odbicie?
Jak zarejestrować oddziaływania neutrin i ustalić ich rodzaj, czyli zapach?
Właśnie tropieniem tych niemal niewidzialnych cząstek zajmują się członkowie eksperymentu Tokai-to-Kamioka (T2K), zlokalizowanego w Japonii, w którym uczestniczą badacze z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, oraz fizycy z międzynarodowego eksperymentu NOvA, prowadzonego w Stanach Zjednoczonych. Oba zespoły analizują dane z dwóch kluczowych eksperymentów neutrinowych z tzw. długą bazą.
Tradycje badań neutrinowych na Uniwersytecie Warszawskim sięgają przełomowych wyników eksperymentu Super-Kamiokande.
Prof. dr hab. Danuta Kiełczewska z UW była współautorką publikacji Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, opublikowanej w 1998 roku w czasopiśmie Physical Review Letters, w której zespół Super-Kamiokande przedstawił dowody na oscylacje neutrin atmosferycznych. Znaczenie tego odkrycia potwierdziła Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki, którą w 2015 roku otrzymał Takaaki Kajita, jeden z liderów badań Super-Kamiokande, wspólnie z Arthurem B. McDonaldem, którego zespół badał oscylacje neutrin słonecznych.
W 2026 roku eksperyment Super-Kamiokande obchodzi 30-lecie działalności, a w obchodach tego jubileuszu uczestniczą dr Magdalena Posiadała-Zezula z UW oraz jej doktorant Mariusz Girguś. Polskie zaangażowanie w projekt reprezentują także dr Joanna Zalipska z Narodowego Centrum Badań Jądrowych oraz dr Lakshmi Mohan z Uniwersytetu Śląskiego.
W eksperymentach z tzw. długą bazą, takich jak T2K czy NOvA, powstają intensywne wiązki neutrin, które kieruje się w stronę odległych detektorów. Neutrina nie potrzebują tunelu: ponieważ bardzo słabo oddziałują z materią, mogą przelatywać przez skały i przez Ziemię niemal bez przeszkód. W eksperymencie T2K pokonują około 295 kilometrów z ośrodka J-PARC do detektora Super-Kamiokande, który pełni rolę detektora dalekiego w tym eksperymencie. W NOvA neutrina przebywają około 810 kilometrów między punktem produkcji wiązki neutrinowej a detektorem dalekim.
Detektory i metody analizy muszą być niezwykle czułe. Rejestracja oddziaływań neutrin jest bardzo trudna, bo w detektorach nie widzimy samego neutrina, lecz produkty jego oddziaływania z materią detektora, czyli inne cząstki.
Po drodze neutrina potrafią też zmieniać swoją „tożsamość”, czyli swój zapach. Fizycy wyróżniają trzy zapachy neutrin: elektronowy, mionowy i taonowy.
Problem polega na tym, że neutrino wyprodukowane jako mionowe po pewnym czasie może zostać wykryte już jako elektronowe. Dla fizyków było to przełomowe odkrycie, bo w najprostszym obrazie Modelu Standardowego (teoria, która opisuje setki znanych nam cząstek – przyp. red.) neutrina miały być bezmasowe, a wtedy nie powinny zmieniać swojego zapachu podczas lotu. To zjawisko nazwano oscylacjami neutrin.
Żeby uchwycić doświadczalnie takie zachowanie neutrin, naukowcy budują ogromne detektory, często umieszczane pod ziemią lub chronione przed tłem pochodzącym od innych cząstek, i analizują pojedyncze, niezwykle rzadkie sygnały oddziaływań neutrin.
W praktyce fizycy szukają dwóch sygnałów: neutrin, które „znikają”, i takich, które pojawiają się w miejscu, gdzie nie powinno ich być.
– Najważniejsze są dwa efekty. Po pierwsze: znikanie neutrin mionowych. Sprawdza się, ile neutrin mionowych „brakuje” w detektorze dalekim w porównaniu z tym, ile powinno ich być, gdyby po drodze nic się z nimi nie działo, to znaczy gdyby nie podlegały zjawisku oscylacji neutrin. Po drugie: pojawianie się neutrin elektronowych. Sprawdza się, czy w wiązce, która początkowo składała się głównie z neutrin mionowych, po przebyciu setek kilometrów pojawiły się neutrina elektronowe. To jest ślad tego, że neutrina potrafią zmieniać swój typ, czyli zapach, po przejściu drogi od punktu produkcji do punktu detekcji, a więc oscylować. NOvA opisuje swój program właśnie jako pomiar pojawiania się neutrin elektronowych i znikania neutrin mionowych; analogiczny typ pomiaru wykonuje T2K – tłumaczy dr Magdalena Posiadała-Zezula z Wydziału Fizyki UW.
Siła obu eksperymentów polega na możliwości pomiaru oscylacji neutrin oraz antyneutrin i porównaniu obu tych procesów. Szczególne znaczenie ma pierwsza wspólna analiza danych T2K i NOvA, opublikowana w 2025 roku w czasopiśmie Nature. Dzięki połączeniu danych z obu eksperymentów udało się zmniejszyć niepewność pomiaru różnic mas neutrin do poziomu poniżej 2 proc., uzyskując jeden z najdokładniejszych na świecie pomiarów jednego z parametrów oscylacji.
– Połączyliśmy dane z dwóch różnych eksperymentów obserwujących oscylacje neutrin i antyneutrin w innych warunkach – przy różnych energiach, odległościach i z użyciem innych detektorów bliskich i dalekich. Dzięki temu możemy dokładniej sprawdzić, jak neutrina zachowują się podczas lotu przez setki kilometrów – wyjaśnia dr Posiadała-Zezula.
Zespół zaprojektował też własne metody analizy i dodatkowe rozwiązania eksperymentalne pomagające odróżniać niezwykle rzadkie sygnały neutrin od „szumu” generowanego przez inne cząstki.
– W naszych badaniach mierzymy bardzo rzadkie oddziaływania neutrin w detektorze. Na podstawie zarejestrowanych sygnałów odtwarzamy, jakiego rodzaju neutrino dotarło do detektora i jaką miało energię. Następnie porównujemy te dane z przewidywaniami, aby sprawdzić, jak neutrina zmieniają swój typ podczas lotu i jakie własności fizyczne za tym stoją – wyjaśnia badaczka.
– Nie znamy jeszcze wszystkich stałych fizycznych opisujących oscylacje neutrin – parametrów, które mówią, z jakim prawdopodobieństwem neutrina zmieniają swój zapach podczas lotu. W naszych pomiarach szukamy między innymi wartości parametru δCP, który pozwala sprawdzić, czy neutrina i antyneutrina zachowują się tak samo. Nie znamy też pełnej hierarchii mas neutrin, czyli odpowiedzi na pytanie, który z trzech stanów masowych neutrin jest najlżejszy, a który najcięższy. Tych informacji również szukamy w naszych pomiarach: porównując dane z detektorów z przewidywaniami teoretycznymi, próbujemy coraz dokładniej opisać mechanizm oscylacji neutrin – dodaje dr Posiadała-Zezula.
Zobaczyć niewidzialne
Historia neutrin zaczęła się od problemu, który wprawił fizyków w konsternację. Na początku XX wieku badacze zauważyli, że podczas rozpadu promieniotwórczego część energii w zasadzie… znika.
To wyglądało tak, jakby jedna z najważniejszych zasad fizyki – zasada zachowania energii –przestawała działać. Jeśli energia naprawdę „znikałaby” bez śladu, oznaczałoby to, że fizycy źle rozumieli podstawowe reguły rządzące Wszechświatem.
Austriacki fizyk Wolfgang Pauli zaproponował wtedy odważną hipotezę: brakującą energię musi zabierać jakaś nieznana wcześniej, niemal niewidzialna cząstka. Tak narodziła się idea neutrina.
Przez kolejne lata neutrino pozostawało jednak tylko hipotezą. To jedna z najlżejszych znanych cząstek elementarnych – coś znacznie bardziej abstrakcyjnego niż kulka czy pyłek, które łatwo sobie wyobrazić. Nie ma ładunku elektrycznego i niemal nie oddziałuje z otoczeniem, dlatego fizycy przez długi czas nie potrafili go bezpośrednio zaobserwować.
Dopiero w 1956 roku Clyde Cowan i Frederick Reines po raz pierwszy zarejestrowali ślady tych cząstek – a dokładniej antyneutrin elektronowych – w eksperymencie przy reaktorze jądrowym.
Odkrycie potwierdziło, że Pauli miał rację: we Wszechświecie rzeczywiście istnieją niemal niewidzialne cząstki przenikające przez materię praktycznie bez przeszkód.
Dlaczego po Wielkim Wybuchu powstał świat, który dziś znamy?
To wszystko może brzmieć jak abstrakcyjna zabawa egzotycznymi cząstkami, ale stawka tych badań jest ogromna. Fizycy próbują odpowiedzieć na pytanie, dlaczego po Wielkim Wybuchu w ogóle powstał świat, który dziś znamy.
Dlaczego istnieją galaktyki, gwiazdy, planety i życie, skoro po Wielkim Wybuchu materia i antymateria powinny były niemal całkowicie się wzajemnie unicestwić? Jednym z tropów mogą być właśnie neutrina.
– Współczesna kosmologia zakłada, że we wczesnym Wszechświecie materia i antymateria powinny powstać w bardzo podobnych ilościach. Gdyby było ich dokładnie tyle samo i gdyby zachowywały się idealnie symetrycznie, powinny się wzajemnie unicestwić – anihilować, jak mówią fizycy – zostawiając głównie promieniowanie. Tymczasem istnieją galaktyki, gwiazdy, planety i my – czyli materia jednak „wygrała”. Badania oscylacji neutrin sprawdzają między innymi, czy neutrina i antyneutrina oscylują dokładnie tak samo. Gdyby okazało się, że zachowują się inaczej, byłby to ważny trop w poszukiwaniu mechanizmu, który we wczesnym Wszechświecie mógł doprowadzić do przewagi materii nad antymaterią – wyjaśnia dr Posiadała-Zezula.
