NOBELOVA NAGRADA ZA FIZIKU 2026.
Nobelova nagrada za fiziku 2026. godine neobična je po tome što je dodijeljena jednom čovjeku, Francisu Halzenu, iako je na projektu za koji je nagrađen radilo mnoštvo suradnika, što je i sam dobitnik naglasio. Davor Horvatić objašnjava zašto je tome tako i koji je ukupni znanstveni doprinos dobitnika
Nobelova nagrada za fiziku 2026. godine neobična je po tome što je dodijeljena jednom čovjeku, Francisu Halzenu, iako je na projektu za koji je nagrađen radilo mnoštvo suradnika, što je i sam dobitnik naglasio. Davor Horvatić objašnjava zašto je tome tako i koji je ukupni znanstveni doprinos dobitnika
Ovogodišnja Nobelova nagrada za fiziku dodijeljena je Francisu Halzenu za ključni doprinos nastanku neutrinskog opservatorija IceCube i otkriću visokoenergijskih neutrina astrofizičkog podrijetla. Nagrada nije samo priznanje jednom izuzetno ambicioznom eksperimentu. IceCube nam je dao novi način promatranja svemira, pomoću čestica koje su gotovo idealni glasnici upravo zato što ih je gotovo nemoguće uhvatiti.
Ako želite detektirati neku česticu, čini se razumnim napraviti detektor u kojem će ona što lakše stupiti u interakciju s materijom. Kod neutrina imamo upravo suprotan problem. Neutrini izuzetno slabo međudjeluju s materijom. Mogu proći kroz vaše tijelo, zgradu u kojoj sjedite, pa i kroz čitavu Zemlju bez ijednog sudara. Dok čitate ovu rečenicu, kroz površinu veličine nokta na vašem malom prstu svake sekunde prolazi oko 65 milijardi neutrina nastalih u Suncu, a vi to, srećom, uopće ne primjećujete.
U tome se odmah krije i problem i rješenje ovogodišnje Nobelove nagrade.
Ako čestica gotovo nikada ne reagira s materijom, vrlo ju je teško detektirati. Ali ako nastane negdje duboko u aktivnoj galaksiji, u blizini crne rupe ili u nekom drugom ekstremnom astrofizičkom okolišu, upravo zato može izaći iz tog okoliša i milijardama godina putovati kroz svemir gotovo nepromijenjena. Ne skreću je magnetska polja, ne apsorbira je međuzvjezdana prašina i, za razliku od fotona, vrlo rijetko će putem nestati u interakciji s materijom ili zračenjem. Neutrino je, dakle, istovremeno jedan od najgorih mogućih objekata za eksperimentalnog fizičara i gotovo savršen glasnik za astronoma.
Jedan od starih problema astrofizike je podrijetlo kozmičkih zraka. Ime je pomalo nesretno jer se uglavnom ne radi o zračenju, nego o protonima i drugim atomskim jezgrama koje svemirom putuju nevjerojatno velikim energijama. Neke od njih imaju energije mnogo veće od onih koje možemo proizvesti u našim najvećim akceleratorima čestica. Negdje u svemiru postoje prirodni akceleratori daleko moćniji od svega što smo uspjeli izgraditi na Zemlji. Problem je u tome što su protoni električki nabijeni. Dok putuju kroz galaktička i međugalaktička magnetska polja njihove se putanje savijaju, pa kada jedan takav proton konačno stigne do Zemlje, smjer iz kojeg dolazi više ne pokazuje prema mjestu na kojem je nastao. Imamo česticu, možemo izmjeriti njezinu energiju, ali izgubili smo adresu pošiljatelja.
Fizika nam, međutim, govori da procesi koji mogu ubrzavati protone do tako velikih energija proizvode i druge čestice. U sudarima visokoenergijskih protona nastaju, među ostalim, pioni, a njihovim raspadima i neutrini. Ti neutrini nemaju električni naboj. Magnetska polja ih ne mogu skrenuti i oni iz izvora praktički putuju po ravnoj crti. Ako ih možemo uhvatiti, dobili smo nešto poput strelice koja pokazuje natrag prema kozmičkom akceleratoru. Problem je ona sitnica s početka priče, kako uhvatiti česticu koja bez problema prolazi kroz Zemlju?
Odgovor Francisa Halzena bio je jednostavan, napraviti ogroman detektor. Ne samo velik, nego detektor volumena jednog kubičnog kilometra.
Halzen je još tijekom 1980-ih počeo razmišljati o mogućnosti korištenja prirodnog leda kao sredstva za detekciju neutrina. Ideja nije da optički senzori izravno vide neutrino. Neutrino je električki neutralan i ne ostavlja takav trag. No vrlo rijetko ipak se sudari s atomskom jezgrom u ledu. U toj interakciji mogu nastati električki nabijene čestice koje kroz led putuju brže nego što se svjetlost širi u tom mediju.
To ne znači da su prekršile Einsteinovu zabranu gibanja brže od svjetlosti. Brzina svjetlosti u vodi ili ledu manja je od brzine svjetlosti u vakuumu. Nabijena čestica može biti sporija od svjetlosti u vakuumu, a ipak brža od svjetlosti u ledu. Tada nastaje karakteristični plavi bljesak, Čerenkovljevo zračenje.
Slično kao što nadzvučni avion proizvodi udarni val jer se kroz zrak giba brže od zvuka, nabijena čestica u prozirnom materijalu proizvodi svojevrsni elektromagnetski udarni val kada se giba brže nego što se svjetlost može širiti tim materijalom. Ako postavimo dovoljno osjetljivih fotodetektora, možemo izmjeriti kada je svjetlost stigla do svakoga od njih i iz tog prostornog i vremenskog uzorka rekonstruirati smjer, a dijelom i energiju čestice koja je proizvela bljesak. Iz nje zatim možemo rekonstruirati svojstva neutrina koji je pokrenuo cijeli događaj.
Prvi veliki korak bio je eksperiment AMANDA, prethodnik današnjeg IceCubea. Početak nije izgledao obećavajuće. Pokazalo se da je led bliže površini prepun sitnih mjehurića zraka koji raspršuju svjetlost i brišu informaciju o smjeru čestice. No dublje od otprilike 1400 metara situacija se dramatično mijenja. Antarktički led ondje je izuzetno čist i proziran.
Koliko je Halzen osobno živio s tim projektom možda najbolje pokazuje gotovo banalan detalj koji je zabilježio i Nobelov odbor. Na Badnjak 1993. sjedio je za obiteljskim stolom s računalom u krilu čekajući poruku s Južnog pola da je prvi kabel s optičkim modulima uspješno spušten u led. Prvi pokušaji nisu izgledali osobito ohrabrujuće, no upravo su oni pokazali da treba ići dublje, u mnogo čišći led.Izgradnja IceCubea počela je početkom ovog stoljeća. Vrućom vodom bušene su rupe duboke gotovo dva i pol kilometra, u njih su spuštani dugi kabeli s optičkim modulima, a voda se zatim ponovno zamrznula. Kada je sustav dovršen, u ledu je bilo 5160 optičkih detektora na 86 vertikalnih nizova, između približno 1450 i 2450 metara dubine. Dobili smo detektor koji nema zidove. Njegov je aktivni materijal jednostavno kubični kilometar antarktičkog leda.
Velik detektor još ne znači jednostavan eksperiment. Zemljina atmosfera neprestano proizvodi golemi broj čestica kada kozmičke zrake udaraju u atomske jezgre zraka. IceCube dnevno registrira više od stotinu milijuna čestica povezanih s tim atmosferskim pljuskovima. U atmosferi također nastaju neutrini, kojih IceCube bilježi nekoliko stotina dnevno. U toj golemoj pozadini treba pronaći rijetke neutrine koji su stigli iz dubokog svemira.
Jedan od elegantnih trikova je korištenje same Zemlje kao filtra. Ako čestica dolazi kroz Zemlju, običan mion, nestabilna elementarna čestica slična elektronu, nastao u atmosferi nije mogao proći cijeli planet. Neutrino jest. Detektor na Južnom polu tako, pomalo paradoksalno, može gledati prema sjevernom nebu kroz Zemlju.
Prvi nagovještaj da IceCube vidi nešto potpuno novo došao je s dva događaja golemih energija, u odnosu na uobičajenu energetsku skalu ubrzivača poput LHC na CERN-u. Fizičari, očito nesposobni odoljeti davanju imena neobičnim događajima, prozvali su ih Bert i Ernie.
Sami po sebi nisu bili dovoljni za veliko otkriće. No analiza podataka od 2010. do 2012. pronašla je ukupno 28 izrazito visokoenergijskih događaja koje nije bilo moguće uvjerljivo objasniti poznatom pozadinom atmosferskih neutrina i miona. Rezultat objavljen 2013. bio je prvi snažan dokaz populacije visokoenergijskih neutrina astrofizičkog podrijetla. Daljnjim prikupljanjem podataka statistička je slika postajala sve jasnija.
Ovdje je važno naglasiti stvar koja se u popularnim opisima otkrića često izgubi. Nisu fizičari 2013. uhvatili jedan neutrino i na njemu zaključili da je proizveden u udaljenoj galaksiji. Zaključak proizlazi iz statistike velikog broja događaja. Gledamo raspodjelu njihovih energija i smjerova i pitamo se može li ih proizvesti samo poznata atmosferska pozadina. Odgovor je bio da ne može. U fizici često upravo tako saznajemo za nešto novo. Ne tako što jedan događaj ispriča cijelu priču, nego čitava populacija događaja ne odgovara starom modelu.
Sljedeći korak bio je pronaći konkretne izvore tih neutrina. IceCube je 22. rujna 2017. registrirao neutrino energije od nekoliko stotina teraelektronvolta i gotovo odmah poslao upozorenje drugim astronomskim opservatorijima. Smjer neutrina poklapao se s blazarom TXS 0506+056, aktivnom galaksijom čija je središnja supermasivna crna rupa u tom trenutku bila intenzivan izvor gama-zračenja.
Naknadnim pregledom starijih podataka pronađen je i višemjesečni višak neutrina iz istog smjera nekoliko godina ranije. Time se lijepo vidi kako izgleda moderna astronomija. Više nemamo samo teleskope koji gledaju različite dijelove elektromagnetskog spektra. Svemir promatramo fotonima, kozmičkim zrakama, gravitacijskim valovima i sada neutrinima. Svaki od tih glasnika govori nam nešto drugo.
Fotoni nam pokazuju gdje se proizvodi elektromagnetsko zračenje. Gravitacijski valovi govore o ubrzanom gibanju golemih masa i sudarima kompaktnih objekata. Visokoenergijski neutrini mogu nam reći gdje se ubrzavaju protoni i druge čestice, uključujući područja iz kojih svjetlost možda uopće ne može lako izaći. To je takozvana multimessenger astronomija, astronomija više različitih glasnika.
U tom je smislu ovogodišnja Nobelova nagrada manje nagrada za jednu neobičnu napravu zakopanu ispod Južnog pola, a više za otvaranje novog prozora u svemir.
Francis Halzen nije karijeru započeo kao astronom niti kao graditelj velikih detektora. Rođen je 1944. u belgijskom Tienenu, a na KU Leuvenu doktorirao je 1969. radom iz fizike elementarnih čestica. Privukla ga je upravo revolucija fizike elementarnih čestica šezdesetih godina, vrijeme u kojem se iz tada pomalo kaotičnog zoološkog vrta novih čestica počela pojavljivati struktura današnjeg Standardnog modela.
Godine 1971., dok je radio u CERN-u, dobio je poziv da šest mjeseci provede na University of Wisconsin–Madison. Šest mjeseci pretvorilo se u više od pola stoljeća. Već 1972. postao je član tamošnjeg odsjeka za fiziku i ondje je proveo gotovo cijelu znanstvenu karijeru.
Za mnoge fizičare elementarnih čestica Halzenovo je ime bilo poznato mnogo prije IceCubea. Zajedno s britanskim fizičarem Alanom D. Martinom napisao je 1984. Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. Taj je udžbenik tijekom više od četiri desetljeća bio jedan od standardnih uvoda u modernu fiziku čestica i iz njega su učile generacije fizičara. Knjiga se i danas koristi na sveučilištima.
U tome ima nešto karakteristično za Halzenov znanstveni put. Ostao je teoretičar koji radi na granici fizike čestica, astrofizike i kozmologije, ali ga je sredinom osamdesetih počelo zanimati što se iz čestica koje dolaze iz svemira može naučiti o fundamentalnoj fizici, i obratno, što fizika čestica može dati astronomiji.
Ideja o antarktičkom neutrinom teleskopu prvi je put javno predstavljena 1988. Nije nakon toga uslijedio spektakularan rezultat, nego desetljeća vrlo nespektakularnih problema: kako izbušiti kilometre leda, kakva su njegova optička svojstva, gdje postaviti senzore, kako razlikovati signal od goleme pozadine i, na kraju, kako uvjeriti druge ljude i institucije da projekt koji zvuči gotovo nepraktično uopće vrijedi pokušati.
Halzen je jednom taj pristup sažeo vrlo jednostavno: najprije proučimo led, zatim napravimo bušilicu s vrućom vodom i vidimo radi li. Krenuli su malim koracima, a kada su jedan po jedan tehnički problem uspjeli riješiti, odjednom se pokazalo da je kubični kilometar detektora doista moguće napraviti. Od prve ideje do Nobelove nagrade prošlo je gotovo četrdeset godina.
Ovogodišnja nagrada neobična je i iz još jednog razloga. Dobio ju je samo Francis Halzen.
To bi moglo ostaviti pogrešan dojam da je IceCube eksperiment jednoga čovjeka. Istina je naravno drugačija. Današnja IceCube Collaboration okuplja više od 450 ljudi iz 58 institucija u 14 zemalja: fizičare, inženjere, računalne stručnjake, doktorande, tehničare i ljude koji su godinama radili na Južnom polu u uvjetima u kojima se većina nas ne bi željela baviti ni mnogo jednostavnijim poslovima. Ni otkriće astrofizičkih neutrina nije rezultat analize jednoga čovjeka. Radovi koji su ga ustanovili radovi su velike međunarodne suradnje.
Zašto onda jedno ime?
Formulacija Nobelova odbora daje dio odgovora. Halzen nije nagrađen zato što je osobno izveo svaki eksperiment ili analizirao svaki događaj, nego za odlučujući doprinos IceCubeu i otkriću visokoenergijskih neutrina astrofizičkog podrijetla. Njegov se doprinos može pratiti kroz gotovo cijeli život projekta: od ideje da prirodni antarktički led postane detektor, preko AMANDA-e kao dokaza da koncept radi, stvaranja međunarodne suradnje i vođenja IceCubea, do trenutka kada je taj instrument zaista pronašao ono zbog čega je izgrađen. Švedska kraljevska akademija upravo njegovu viziju i znanstveno vodstvo opisuje kao temelj IceCubea.
Sam Halzen nakon objave nagrade naglasio je upravo suprotno od mita o usamljenom geniju, Nobelovu nagradu opisao je kao priznanje neobičnom projektu i ljudima koji su ga ostvarili te istaknuo koliko duguje suradnicima, inženjerima i instituciji koja je desetljećima bila spremna podržavati nekonvencionalnu ideju.
Možda je upravo zbog toga ova nagrada lijep primjer vječne napetosti u pričama o modernoj znanosti. Volimo ih pričati kroz pojedince, a moderna fizika sve se češće radi u suradnjama koje imaju stotine ili tisuće članova. Ipak, ponekad se unutar takvog kolektivnog pothvata može dovoljno jasno pratiti početna ideja i osoba koja ju je desetljećima gurala naprijed da Nobelov odbor odluči izdvojiti jedno ime.
U Halzenovu slučaju put je posebno čist, teoretičar elementarnih čestica prepoznao je da bi se cijeli komad prirode mogao pretvoriti u eksperimentalni instrument, dovoljno dugo inzistirao na toj ideji da ona postane izvediva i zatim dočekao da taj instrument otvori novi oblik astronomije.
U znanosti ponekad nije najveći korak pronaći odgovor, nego shvatiti da se pitanje uopće može postaviti na eksperimentalno provjerljiv način. IceCube je upravo takav primjer.
Neutrino je iz naše svakodnevne perspektive gotovo nepostojeća čestica. Ne možemo ga vidjeti, ne možemo ga zaustaviti i gotovo ništa što se nalazi između njega i nas ne utječe na njegovo putovanje. Upravo ta svojstva zbog kojih ga je tako teško izmjeriti omogućuju mu da nam donese informaciju iz dijelova svemira koje drugim metodama ne možemo vidjeti.
Fizika često napreduje na takvim paradoksima. Slabost interakcije postaje prednost. Zemlja postaje filtar. Kubični kilometar leda postaje teleskop. Čestica koja gotovo ne reagira ni s čim postaje glasnik najnasilnijih procesa u svemiru.
Najvažnija poruka ovogodišnje Nobelove nagrade zato nije samo da smo uspjeli detektirati nekoliko vrlo energijskih neutrina. Naučili smo kako pomoću njih gledati svemir. A svaki put kad u astronomiji naučimo gledati na nov način, gotovo sigurno pronađemo nešto što prije nismo ni znali da trebamo tražiti.
8. listopada 2025. / čita se 7 minuta
NOBELOVA NAGRADA ZA FIZIKU 2025
Radovi nagrađeni ovogodišnjim Nobelom za fiziku nisu samo riješili zagonetku mosta između mikro i makro svijeta, oni su napravili i praktične alate za gradnju kvantnih tehnologija, piše Davor Horvatić. Njihova najvažnija poruka nije da je „kvantno moguće i u velikim makroskopskim sustavima“, nego da je priroda dosljedna.
13. listopada 2024. / čita se 7 minuta
NOBELOVA NAGRADA ZA FIZIKU 2024
Ovogodišnja Nobelova nagrada iz fizike pokazuje spoj ljudske kreativnosti i briljantnu demonstraciju snage fizikalnih modela, piše Davor Horvatić. Iako je jedan dio fizičara revoltiran i smatra da je nagrada rezultat pretjerane fascinacije umjetnom inteligencijom, drugi tvrde da je riječ o opravdanom priznanju za revolucionarna postignuća.
9. listopada 2021. / čita se 9 minuta
Nobelova nagrada za fiziku 2021.
Pouzdane vremenske prognoze nemoguće je napraviti već za desetak dana unaprijed, piše Sarah Ivušić u članku u kojem opisuje kaotičnu prirodu vremena i predstavlja ovogodišnje dobitnike Nobelove nagrade za fiziku. Kako, unatoč tome, napraviti pouzdane klimatske projekcije za budućih nekoliko desetljeća ili stotina godina?