Denník N

Pílime ľad taký hrubý, že po ňom môže prejsť aj tank, hovorí fyzik o výskume neutrín na Bajkale

Teoretický fyzik Fedor Šimkovic pôsobí na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave. Foto N – Vladimír Šimíček
Teoretický fyzik Fedor Šimkovic pôsobí na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky UK v Bratislave. Foto N – Vladimír Šimíček

Fedor Šimkovic získal hlavné tohtoročné ocenenie ESET Science Award za výskum neutrín. V rozhovore vysvetľuje, či sme rádioaktívni, prečo sa oplatí sledovať častice, ktoré vznikli necelú sekundu po veľkom tresku a ako ich využiť na udržanie mieru vo svete.

V rozhovore sa dočítate aj:

  • koľko neutrín vami preletí za sekundu a čo to spôsobuje;
  • čo skúmajú slovenskí vedci na dne Bajkalu a prečo experimenty prebiehajú hlboko pod hladinou alebo v podzemí;
  • aké legendy a náhody sprevádzali výskum neutrín.

Tento článok si môžete prečítať vďaka ESET Science Award – oceneniu, ktoré podporuje výnimočnú vedu na Slovensku. 

Predsedom komisie, ktorá vás označila za výnimočnú osobnosť slovenskej vedy, bol nobelista z vášho odboru, fyzik Kip Thorne. Ten vám prostredníctvom videa cenu aj symbolicky odovzdal. Aký to bol pocit?

Fantastický. Ešte stále sa k nemu vraciam. Je mi veľmi ľúto, že nemohol prísť pre pandémiu osobne a veľmi rád sa s ním hádam zoznámim o rok, keď bude ďalšie vyhlasovanie. Bol by som veľmi rád, keby na našej fakulte urobil nejakú prezentáciu. Kipa Thornea osobne nepoznám, ale na konferenciách sa s laureátmi Nobelových cien stretávam a rozprávam. Sú to fantastickí ľudia s prirodzeným správaním a nadhľadom. Samozrejme, veľmi si vážim odbornosť všetkých členov hodnotiacej komisie.

Očakávate, že toto ocenenie nejako pomôže vášmu výskumu?

Verím, že to nejakým spôsobom zarezonuje a možno bude pre mňa ľahšie rozšíriť môj tím a získavať do neho šikovných mladých ľudí. Moju vedeckú prácu to nejako veľmi neovplyvní, pokračujem v tom, čo som riešil doteraz.

Výskum neutrín získal už štyri Nobelove ceny za fyziku, naposledy to bolo v roku 2015. Čím sú tieto častice, ktoré majú prezývku „duchovia subatomárneho sveta,“ také výnimočné?

Nobelove ceny boli štyri a bude ich určite viac. Neutrína skrývajú odpovede na veľa nezodpovedaných otázok. Môžu nám poodhaliť, ako vznikol vesmír, čo je jeho tmavá hmota, prečo vo vesmíre dominuje hmota nad antihmotou, a čo sa deje pri zrážkach neutrónových hviezd či čiernych dier. Neutrína vznikli v prvej sekunde veľkého tresku a odvtedy vznikajú všade vo vesmíre. Sú to jedny z najrozšírenejších častíc. Fascinujúce je, že napriek tomu doposiaľ nepoznáme ich základné fyzikálne vlastnosti ako hmotnosť, magnetický moment a ani to, koľko majú identít. Tento rok pritom prešlo deväťdesiat rokov od prvej zmienky o neutrínach.

Ako je možné, že ich vedci skúmajú už deväťdesiat rokov a stále nepoznáme ani ich hmotnosť?

Neutrína veľmi slabo interagujú.

Takže si iba preletia všetkým, čo im stojí v ceste, a nenechajú po sebe žiadnu stopu?

Neutríno je taká slobodná častica, ktorá sa neviaže. Preto je taká zaujímavá. Na rozdiel od ostatných kameňov hmoty, ako sú kvarky, z ktorých sú zložené protóny, nič neformuje.

Koľko neutrín mnou preletí za tú hodinu, čo sa spolu rozprávame, a spôsobuje mi to niečo?

Neutrína zo slnka prilietavajú rýchlosťou blízkou svetlu v počte desať na desiatu cez centimeter štvorcový každú sekundu. Tým, že veľmi slabo interagujú, si ani nevšimnete, že vami preletia. Pravdepodobnosť, že neutríno bude s naším telom interagovať, je tak raz za život. Ale je to taká slabá interakcia, že vo vašom organizme nemá žiadne dôsledky.

Neutrína nami prelietavajú každú sekundu. Tým, že veľmi slabo interagujú, si to nemáme šancu všimnúť. Foto N – Vladimír Šimíček

Kde vznikajú neutrína? 

Hlavne vo hviezdach, ale aj v zrážkach kozmického žiarenia s atmosférou Zeme. Neutrína vznikajú v obrovskom množstve v priebehu pár sekúnd pri výbuchu supernovy, keď hviezda dokončí svoju životnú púť a nastane jej kolaps. Takéto neutrína boli prvýkrát v malom množstve pozorované v roku 1987 a toto pozorovanie získalo Nobelovu cenu, ktorú dostal Masatoši Košiba. To bol v podstate veľmi šťastný človek, lebo jednak pôvodne skúmal niečo iné, a jednak sa už chystal do dôchodku, keď mu kolega povedal, aby sa pozrel do dát, v ktorých tieto neutrína našiel. Svoj objav oznámil o deň skôr, ako ho oznámila druhá kolaborácia, a na základe toho dostal Nobelovu cenu. Táto častica je od samého začiatku opradená všelijakými mýtmi a záhadami. Nielen vedeckými, ale aj osobnostnými.

Akou legendou sa začína príbeh neutrína?

Presne pred deväťdesiatimi rokmi bola vo fyzike veľká kríza, lebo to vyzeralo, ako by pri jadrových premenách neplatil zákon zachovania energie. Ten je však základným kameňom fyziky. Vznik ďalšej častice, vďaka ktorej by bol zákon zachovania energie zachovaný, navrhol Wolfgang Pauli. Ako riešenie to opísal vo svojom liste, ktorý poslal na konferenciu do Tübingenu. Túto časticu nazval neutrón. Mal pochybnosti, či ju vôbec niekedy objavíme, pretože slabo interaguje.

Prečo takúto prevratnú hypotézu poslal v liste?

Vraj sa práve rozviedol a v tom istom čase sa konal dôležitý bál v Zürichu, ktorý uprednostnil. Aj časticoví fyzici sú ľudia. Enrico Fermi po objavení neutrónu túto malú časticu premenoval z neutrónu na neutron picollo, čiže neutríno.

Tie záhady prišli jedna za druhou. Génius Ettore Majorana za záhadných okolností napísal v roku 1937 prácu, v ktorej predpovedal, že neutríno môže byť samo sebe aj antičasticou – a potom navždy zmizol. Fermi vtedy šiel za Mussolinim, ktorý vydal rozkaz, že ho musia nájsť, ale nikto ho už nikdy nevidel. Inak Pauli síce predpovedal, že neutríno nikdy nenájdeme a bol z toho nešťastný, lebo zadal úlohu, o ktorej si myslel, že nemôže byť vyriešená. Mýlil sa však, lebo o 26 rokov bola táto častica prvýkrát pozorovaná.

Dožil sa toho?

Áno, zomrel o dva roky neskôr, čiže ešte zistil, že nemal pravdu, ale aspoň sa záhada vyriešila. No a potom prišla ďalšia. Tých neutrín zo Slnka prichádzalo menej, ako malo podľa výpočtov. Objav, že počty nám nesedia kvôli osciláciám neutrín, čo bolo jednoznačne potvrdené až v tomto tisícročí, tiež získal Nobelovu cenu. Toto vysvetlenie navrhol hneď na začiatku problému Bruno Pontecorvo, ktorý sa Nobelovej ceny nedožil.

Čo znamená, že neutríno osciluje?

Mení svoju identitu. Poznáme totiž tri „príchute“ neutrín, ktoré prilietavajú zo Slnka.

Tú identitu menia spôsobom, ako keby zo Slnka vyštartoval jahodový cukrík, počas letu sa zmení na jablkový a ďalej na citrónový?

Presne tak.

Experimenty, v ktorých sa pozorujú neutrína, prebiehajú hlboko pod zemou. Prečo musia byť také odizolované?

Aby sme odtienili kozmické pozadie. Hľadáme veľmi zriedkavé procesy, a tak musíme všetko pozadie odstrániť, aby sme zachytili ten zriedkavý signál, ktorý potrebujeme. Hľadáme ihlu v kope sena, a preto sa snažíme toho sena čo najviac zbaviť.

Fedor Šimkovic a jeho tím spúšťajú pod hladinu jazera Bajkal detektor na pozorovanie neutrín. Zdroj – archív F. Š.

V podzemí sa inak takisto produkujú neutrína, ktoré nazývame geoneutrína. Sú výsledkom rozpadových rádov uránu a tória v našej Zemi. Pri nich sa vytvára vnútri Zeme teplo na úrovni 30 až 40 terawattov. To je akoby sme mali 30- až 40-tisíc jadrových elektrární. Ľudstvo postavilo už nejakých 500 reaktorov. Bez tepla, ktoré prichádza zvnútra planéty z procesov, medzi ktorými sú produkované aj neutrína, by sme však aj tak zamrzli.

Spolupracujete na experimente, ktorý sa odohráva na jazere Bajkal. Ako to tam vyzerá?

Je to jedna z príjemných stránok vedy, pretože experiment prebieha na fantastickom mieste uprostred prírody. Detektor, na ktorom pracujeme, je sústavou optických modulov uchytených na oceľových lanách a spojených káblami, ktoré idú do hĺbky až jeden a pol kilometra – na dno jazera Bajkal. Osem takýchto „stringov“ vytvára jeden klaster, už ich máme sedem, a tento detektor stále rozširujeme. Na takúto expedíciu chodíme každú zimu. Pílime ľad, ktorý je taký hrubý, že po ňom môže prejsť aj tank, a spúšťame do vody to, čo potrebujeme. Čiže aj teoretickí fyzici pracujú manuálne spolu s experimentálnymi fyzikmi. Do toho pijeme vodu priamo z Bajkalu. Má to niečo do seba. To prostredie je fascinujúce, lebo pracujeme až do večera, keď na jednej strane zapadá slnko a na druhej je vidieť mesiac a hviezdy, odkiaľ k nám tie neutrína letia. Človek vidí to spojenie s prírodou aj veľkú fyziku.

Fedor Šimkovic (v čiapke) na Bajkale. Foto – archív F. Š.

Čo je úlohou detektora?

Hľadať bodové zdroje vysokoenergetických neutrín vo vesmíre a získavať informácie o súvisiacich procesoch. Napríklad, čo sa deje pri zrážkach neutrónových hviezd alebo čiernych dier. Takýchto veľkých teleskopov je len zopár. Jeden sa buduje na južnom póle, kde sa tie optické moduly zapúšťajú hlboko do ľadu, ďalší je v Stredozemnom mori. Výhodou toho nášho je, že je nasmerovaný aj do centra galaxie. Tento rok bola udelená Nobelova cena za fyziku práve objavu čiernej diery v centre našej galaxie. My by sme chceli skúmať procesy v jej okolí. Predpokladáme, že by tam mohli niekde vznikať neutrína a že sú neutrína, ktoré nedopadli do čiernej diery a priletia k nám. Hlavným zmyslom neutrínového teleskopu je lepšie pochopiť vesmír.

Keď sa vrátime späť na Zem, aký význam má výskum neutrín pre ľudí, ktorých vesmír nezaujíma?

Cesta od základného výskumu po aplikácie býva dlhá. Obzvlášť to platí, keď pracujete s takouto časticou, ktorá sa s vami veľmi nechce baviť. Existujú však neutrínové detektory, ktoré vedia monitorovať procesy v reaktore. Pri horení v uránovom reaktore množstvo uránu klesá a rastie množstvo plutónia. To sa dá použiť na výrobu atómových zbraní. Ak by pred vami niekto schovával jadrové reaktory na výrobu jadrových zbraní, tak neutríno, ktoré pri tom vzniká, nemá šancu udržať pod zámkom. Jedna z možných aplikácií sú teda detektory na kontrolu zbrojenia, a teda aj na zachovanie mieru na Zemi.

Pri preberaní ceny ste povedali, že sme vlastne všetci rádioaktívni. Čo to znamená?

S rádioaktivitou žijeme a neunikneme jej. Z vesmíru sme stále bombardovaní kozmickým žiarením, ktoré ovplyvňuje aj našu DNA. Boli výskumy, ktoré hovorili o tom, že keby sme sa pred ním schovali do jaskýň, bolo by to pre nás horšie. My tie procesy v rámci jadrových reakcií vlastne potrebujeme a ony prebiehajú všade a nonstop. Naše telo obsahuje dvadsať miligramov draslíka. Tento draslík sa môže rozpadať spôsobmi, ktoré produkujú neutrína a antineutrína. Človek teda denne vyprodukuje tristo štyridsať miliónov neutrín.

Neutrína teda nevychádzajú len z hviezd a jadrových elektrární, ale aj z nás?

Áno, keďže máme v tele draslík. Ale netreba sa toho obávať, nejde o nič škodlivé. Neutrína na náš život vplývajú iba tak, že vďaka nim môžeme objaviť tajomstvá vesmíru a v budúcnosti aj skryté jadrové reaktory. Informácie o neutrínach potrebujem aj na budovanie teórie veľkého zjednotenia. Tá opisuje procesy na začiatku vesmíru a vysokoenergetické procesy v ňom.

Čomu konkrétne sa vo výskume s vašou skupinou venujete?

Som teoretik a zaujímam sa o všetky procesy, na ktorých sa zúčastňuje neutríno. Sú to procesy na úrovni atómových jadier, čo sú veľmi živé a zaujímavé objekty, keďže tam prebiehajú rôzne typy interakcií. Procesy s neutrínami skúmame, aby sme pochopili ich vlastnosti. Hľadáme novú fyziku za štandardným modelom alebo predpovedáme, čo by sa stalo, keby sme namerali dvojitý bezneutrínový beta rozpad, ktorý hľadáme.

Fedor Šimkovic hľadá novú fyziku za štandardným modelom. Zdroj – archív F. Š.

O čo v tých beta rozpadoch ide?

Beta rozpad nastáva, keď jadro zrazu zmení svoj náboj a vyletí z neho elektrón a neutríno. My by sme chceli namerať extrémne vzácny druh beta rozpadu, keď idú von len dva elektróny a žiadne neutríno. Zatiaľ sa to nikomu nepodarilo, ale predpokladáme, že vzhľadom na súčasné poznanie a technológiu by sa to našej generácii mohlo podariť. Prispejú k tomu isto aj podzemné laboratóriá po celom svete. Čína momentálne buduje najhlbšie. Je však tiež možné, že neutríno má svoju antičasticu, a tak tento rozpad nikdy neobjavíme.

Vediete skupinu mladých vedcov. Ako vyzerá váš výskumný tím?

Teraz mám v tíme jednu postdoktorandku z Indie a troch doktorandov, jedného Rumuna, dve Slovenky a k tomu ešte dvoch mladých vedcov. Čiže sme taký medzinárodný tím. To je super, lebo čím viac ľudí z rozličného prostredia medzi sebou komunikuje a odovzdáva si skúsenosti, tým je výskum ľahší a viac sa naučia. Aj preto sa ich snažím posielať na všetky možné medzinárodné letné školy. Lebo ja ich nemôžem všetko naučiť, ale viem im otvoriť dvere.

Ako ich motivujete, aby zostali na Slovensku?

Ja ich nepresviedčam, aby tu zostali, je to ich život. V prvom rade chcem, aby sa niečo naučili, a to sa dá len v kontakte s medzinárodnou scénou, kde musia zbierať skúsenosti. Či zostanú pracovať vonku, či sa vrátia, to ja až tak neovplyvním, vplýva na to veľa faktorov. Ďalšia vec je, že nie všetci zostanú vo fyzike, čo je bežné aj vo svete. Väčšina doktorandov, s ktorými som prišiel do kontaktu, napríklad v Nemecku, išla hneď do priemyslu. Zástupcovia všetkých veľkých firiem ako napríklad Mercedes-Benz, Bosch či Siemens na nich obrazne povedané čakajú pred bránou. Je to do istej miery logické. Človek si chce založiť rodinu a v priemysle zarobí viac ako na ceste vedy, ktorá je dosť neistá. Nikdy neviete, na akú úroveň sa dostanete, aké prídu ponuky, a musíte byť veľmi zanietení, aby ste ňou šli.

Spomínali ste, že vaším životným projektom je založenie a rozvoj neutrínovej fyziky na Slovensku. Komunikovať výsledky základného výskumu je veľakrát problém, lebo nejde o veci, ktoré majú priamy dosah na život bežných ľudí. Prečo je dôležité, aby ho každá krajina mala v dobrej kondícii?

Väčšina ľudí si neuvedomuje, že bez fyzika z CERN-u by sme dnes nemali internet. Všimol som si však, že naša spoločnosť sa mení k lepšiemu v tom, ako chápe vedu. Predtým bola predstava, že veda a medicína sú ako čierne diery. Keď tam nasypete peniaze, zmiznú a nemá to význam. Ale aj vinou pandemickej situácie si ľudia uvedomili, že musíme vedieť riešiť vedecké problémy. Zdá sa mi, že ľudia chápu stále viac, že tú vedu potrebujeme a všímajú si jej postavenie vo vyspelých krajinách, ako sú Holandsko, Nemecko či Francúzsko. Máme za sebou smutné obdobie, keď Slovenská akadémia vied bojovala o to, aby mala na výplaty pre svojich zamestnancov. Je nepochopiteľné, že až teraz sa hádam SAV pretransformuje na samostatne hospodáriaci objekt. Už je to aj v programovom vyhlásení vlády, takže budem veľmi rád, ak sa to podarí. Ale beztak sme veľmi pozadu napríklad v porovnaní s Českou republikou, ktorá je už dávno transformovaná a prepojenie vedy a priemyslu funguje. Netreba nič nové vymýšľať, len pozrieť, ako to funguje vedľa.

„Zdá sa mi, že ľudia chápu stále viac, že vedu potrebujeme, a všímajú si jej postavenie vo vyspelých krajinách, ako sú Holandsko, Nemecko či Francúzsko,“ hovorí Fedor Šimkovic. Foto N – Vladimír Šimíček

Čo nám v porovnaní so zahraničím najviac chýba?

Potrebujeme normálne financovanie vedy, potrebujeme vytvárať pozície pre mladých ľudí a potrebujeme konkurenciu. Bol by som za to, aby na našich vysokých školách prišiel čas omladzovania. Ako v Nemecku, kde zaviedli pozície pre mladých profesorov a dávali im celé tímy, nech napredujú. Skúsme niečo podobné, otvorme sa tretím krajinám a berme šikovných mladých ľudí odtiaľ. Môžeme tým čiastočne kompenzovať to, že naši šikovní mladí ľudia odchádzajú niekam inam. I keď ja to, že odchádzajú, neberiem tragicky. Veda tu vždy ostáva a aj na medzinárodných spoluprácach sa ukazuje, že nezabúdajú, odkiaľ sú.

Čím vás neutrínová fyzika zaujala? 

Moja mama bola učiteľkou fyziky na gymnáziu, čiže u nás bol vždy kopec kníh o fyzike. Najviac ma fascinovali knihy Jasnejší ako tisíc sĺnc o jadrovom programe v Los Alamos a kniha Atómy v rodine od Fermiho manželky Laury. Keď som skončil štúdium, tak som chcel participovať na niečom veľkom a zaujímavom. Na našej katedre Paľo Povinec začal skúmať dvojitý beta rozpad a potreboval teoretika, ktorý sa tým bude zaoberať. Išiel som teda na doktorandské štúdium na moskovskú univerzitu a touto témou som oslovil Samoila Bilenkiho, najbližšieho spolupracovníka Bruna Pontecorva na téme fyziky neutrín, ktorý ma akceptoval ako doktoranda. Tak sa tým zaoberám dodnes. Vedecky som najviac získal z pôsobenia na Univerzite v Tübingene, kde sa história neutrín začala.

Fedor Šimkovic

Je teoretický fyzik. Pôsobí na Katedre jadrovej fyziky a biofyziky Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave. Zaoberá sa neutrínami. Vo svojom výskume využíva atómové jadrá ako laboratórium na štúdium fundamentálnych vlastností neutrín. Svojimi aktivitami pokrýva oblasti atómovej fyziky, jadrovej fyziky a fyziky častíc s expanziou do astrofyziky. Tieto oblasti výskumu sú prepojené unikátnym procesom bezneutrínového dvojitého beta rozpadu jadier (0vββ), ktorý doposiaľ nebol pozorovaný. V roku 2020 získal ocenenie Výnimočná osobnosť slovenskej vedy v súťaži ESET Science Award.

ESET Science Award

Podcast Denníka N

Rozhovory

Technológie, Vesmír

Teraz najčítanejšie