Prof. univ. dr. Mircea Rusu explică pentru sibieni Nobelul pentru Fizică: „Unul dintre cele mai bine păstrate secrete ale universului”, căutat sub gheața Polului Sud

Premiul Nobel pentru Fizică pe 2026 i-a fost acordat anul acesta lui Francis Halzen, omul din spatele observatorului IceCube de la Polul Sud. Dar ce sunt, de fapt neutrinii cosmici și de ce este importantă descoperirea premiată anul acesta? Pentru a găsi răspunsuri pe care să le înțeleagă toată lumea am ajuns, prin intemediul profesorului sibian de fizică Gheorghe Pupeză la Prof. univ. dr. Mircea V. Rusu, de la Facultatea de Fizică a Universității din București. Și, suprinzător, explicațiile lui pornesc dintr-un loc neașteptat. O masă în familie.

Academia Regală Suedeză de Științe a anunțat marți, 6 octombrie, câștigătorul Premiului Nobel pentru Fizică pe 2026. Este vorba despre fizicianul Francis Halzen. El a primit distincția „pentru contribuțiile decisive aduse Observatorului de neutrini IceCube și descoperirii neutrinilor de înaltă energie de origine astrofizică”.

Halzen a propus și a demonstrat că gheața poate fi folosită pentru a detecta neutrinii astrofizici de înaltă energie. A avut și un rol-cheie în formarea colaborării internaționale și în înființarea observatorului.

Cu alte cuvinte, descoperirea este importantă pentru că le dă oamenilor de știință un nou mod de a studia universul. Până acum, cosmosul a fost cercetat cu lumina vizibilă și cu cea invizibilă. De acum pot fi folosiți și neutrinii.

Un premiu pentru „cel mai mare beneficiu umanității”

Alfred Nobel a cerut prin testament ca averea lui să fie folosită pentru a-i răsplăti pe „cei care, în cursul anului precedent, au adus cel mai mare beneficiu umanității”. Premiile urmau să recompenseze realizări remarcabile în domeniile de care Nobel se ocupase cel mai mult de-a lungul vieții: fizică, chimie, fiziologie sau medicină, literatură și pace. După moartea lui a urmat un proces lung de punere în practică a acestei viziuni. Primele premii au fost acordate în 1901.

Profesorul Mircea Rusu pornește de la o întâmplare din familie. Acum câteva zile a sărbătorit ziua de naștere a fiicei sale celei mari. Au venit rude și prieteni. La prânz s-au servit, ca de obicei, o ciorbă și un fel doi. Au urmat tortul cu lumânări și o șampanie. S-au pornit discuții și au venit amintirile.

Înainte de masă, profesorul trecuse prin bucătărie. Pe masă erau cartofi, ceapă, fasole, morcovi și felii de carne.

„După mâncare am început să mă gândesc că, de fapt, ceea ce am mâncat nu erau cartofi, morcovi, carne, ceapă, etc. ci cu totul altceva. Mâncarea avea la bază acele ingrediente dar ceea ce am mâncat era ceva deosebit. Și s-a născut următoarea întrebare, de fapt veche de când lumea, cum este posibil ca din aceste ingrediente simple să se producă felurite mâncăruri, respectiv în care ingredientele inițiale să nu mai fie recognoscibile.”

Aceeași întrebare se pune pentru toată materia pe care o cunoaștem.

Atomii, „ingredientele” lumii

Grecii antici au crezut că substanțele nu sunt făcute dintr-o infinitate de ingrediente. Ei credeau că există un număr mai mic de ingrediente primare. Le-au numit atomi, de la grecescul a-tomos, adică „care nu poate fi tăiat”. Erau particule de materie atât de mici încât nu puteau fi văzute. Din ele ar fi fost construită toată materia, la fel cum din ingredientele de bază din bucătărie se pot găti nenumărate feluri de mâncare.

Atomii erau imaginați ca niște bilițe mici, ca niște mere sau cireșe. Ideea nu e stranie. Nu e o problemă că sunt mici și nici că nu au o infinitate de forme. Problema apare la o gândire mai atentă.

„Să luăm aceste bilițe dintr-un coșuleț sau dintr-o sacoșă și să încercăm să construim din ele o masă, un scaun, o cărămidă, un pahar sau orice altceva. Din păcate, ele vor sta fie împrăștiate, fie îngrămădite ca o piramidă, dar în niciun caz sub formă de pahar, de scaun sau de altceva cu o formă definită. Aceste bucățele mici, atomii, ar trebui să aibă ceva care să le unească, să le lipească. Acest «lipici» nu se cunoștea și nici nu se întrezărea o soluție, o idee”, spune prof. Mircea Rusu în explicația sa.

Mult mai târziu, odată cu dezvoltarea chimiei, atomii au fost studiați mai atent. S-a constatat că se pot grupa și pot forma molecule. Atomii se pot combina în multe feluri, dar nu oricum. Combinațiile urmează reguli foarte stricte, exprimate prin ceea ce se numește valența atomilor.

Apoi s-a aflat că atomii au mase diferite. Atomul de hidrogen, de exemplu, e mai ușor decât cel de carbon sau cel de fier.

Fizicienii au arătat apoi că până și cel mai ușor atom, hidrogenul, are o structură. E format din două părți: nucleul și electronul. Atomul era imaginat ca un mic sistem solar. Nucleul era un fel de Soare, mare și greu. Electronii, mici și ușori, se mișcau în jurul lui ca planetele. Numele de „nucleu” vine din ideea că e greu și stă în centru, la fel ca nucleul celulei, descoperit în biologie. De aceea i s-a spus „nucleu atomic”, ca să fie deosebit de nucleul celulei.

Ce ține sistemul laolaltă? Sarcina electrică. Electronul are sarcină negativă, iar nucleul are sarcină pozitivă. Cele două se atrag.

„Toate bune și frumoase, dar cum se puteau menține împreună doi atomi de hidrogen pentru a forma, de exemplu, o moleculă de hidrogen? Ieșirea din impas a pornit de la ideea că cei doi atomi se deformează cumva și astfel se pot menține ca un sistem. Tot forțele electrice de atracție dintre atomi asigurau stabilitatea acestui sistem. Pe baza acestei idei s-a imaginat formarea tuturor sistemelor atomice care alcătuiesc molecule de diferite tipuri, bineînțeles cu proprietăți diferite. Toate aceste studii au fost cuprinse în ceea ce s-a numit fizică atomică.”

„Zoologia” particulelor

Profesorul mai spune că au urmat apoi descoperiri care au creat probleme. În același timp, ele au deschis drumuri noi spre înțelegerea atomului.

„Zoologia” fizicii atomice avea până atunci doi membri, electronul și nucleul. În 1932 a apărut un al treilea, neutronul, descoperit în experimente de ciocnire. După cum îi spune și numele, neutronul e neutru din punct de vedere electric. El face parte din nucleul atomic. Nucleul atomului de hidrogen a fost numit proton. Protonii și neutronii formează împreună nucleele atomilor mai complicați.

Ca de obicei, apare o problemă. Atomul e format din electroni și nucleu, iar nucleul e format din protoni și neutroni. Atunci ideea antică a atomului „care nu poate fi tăiat” nu mai corespunde realității. Mai mult, sunt electronul, protonul și neutronul cu adevărat de nedivizat? Sunt ele ultimele piese? Și sunt singurele particule sau mai există și altele?

Așa a început o căutare continuă de particule noi. Acestea se pot obține prin ciocnirea altor particule. S-a născut astfel o nouă direcție de cercetare: fizica particulelor elementare. Putem vorbi acum de particule fundamentale. Ele alcătuiesc alte particule și nu mai pot fi desfăcute în particule „mai” elementare. Metoda obișnuită de căutare este ciocnirea. Pentru asta e însă nevoie de energii foarte mari, greu de obținut în acceleratoarele de particule.

Un „tabel periodic” al particulelor

Profesorul mai spune că fizicienii au sperat să facă pentru particulele elementare ceva asemănător cu Tabelul Periodic al Elementelor al lui Mendeleev. Astăzi există o asemenea teorie, Modelul Standard al fizicii particulelor.

Modelul Standard descrie trei dintre cele patru forțe fundamentale cunoscute în univers: interacțiunea electromagnetică, cea slabă și cea tare. Gravitația rămâne pe dinafară. Teoria clasifică și toate particulele elementare cunoscute.

„Acesta a fost dezvoltat pe parcursul celei de-a doua jumătăți a secolului al XX-lea, prin eforturile multor oameni de știință din întreaga lume, forma sa actuală fiind definitivată la mijlocul anilor ’70, odată cu confirmarea experimentală a existenței cuarcilor. De atunci, credibilitatea Modelului Standard a crescut treptat. Azi se consideră că Modelul Standard este coerent din punct de vedere teoretic și că a avut un anumit succes în furnizarea de predicții experimentale, dar nu este încă o teorie completă a interacțiunilor fundamentale”, spune Mircea Rusu.

Mesageri din cosmos

Căutarea neutrinilor a pornit de la observarea unor particule complet diferite. Cosmosul e străbătut continuu de particule numite, în ansamblu, radiații cosmice. De regulă, acestea sunt protoni, adică nuclee de hidrogen fără învelișul de electroni. Uneori, protonii din spațiu ajung la noi cu o energie mult mai mare decât le-ar putea da un accelerator de particule de pe Pământ.

Originea radiațiilor cosmice cu cele mai mari energii a fost unul dintre cele mai bine păstrate secrete ale universului. Fizica ne spune că procesele care pot accelera protonii la energii mari produc și neutrini cu energii mari. Acești neutrini ar putea oferi indicii esențiale despre „acceleratoarele cosmice” de particule.

Neutrinii cu energii foarte mari pot fi deosebiți de cei cu energie mult mai mică. Aceștia din urmă provin din dezintegrarea substanțelor radioactive, de la Soare sau din ciocnirea radiațiilor cosmice cu atmosfera Pământului. Neutrinii care nu se nasc în vecinătatea noastră trebuie să vină de foarte departe. Pot proveni din procese violente, din regiuni unde au explodat stele, sau din galaxii active aflate la mare distanță.

De la apă la gheață

Profesorul spune că încă din jurul anului 1960, mai mulți fizicieni sugeraseră că apa ar putea fi un material bun pentru prinderea neutrinilor din spațiu. Rar, câte un neutrin lovește un nucleu atomic. Atunci apare o particulă încărcată electric. Ea se mișcă în aceeași direcție cu neutrinul și emite o radiație albastru-violet. Apa e transparentă la această lumină, așa că lumina poate fi detectată. Se poate afla încotro se propagă și chiar se poate identifica sursa neutrinului. Cel mai important e ca volumul de apă să fie suficient de mare pentru a putea observa aceste ciocniri.

Francis Halzen a presupus că gheața din Antarctica ar fi ideală pentru a prinde destui neutrini, particule foarte greu de prins. Așa, cercetătorii ar putea afla mai multe despre originile lor îndepărtate.

Din 1992, un grup de cercetători a făcut primele încercări de a coborî senzori de lumină în ghețarul de la Polul Sud. Momentul decisiv a venit cam douăzeci de ani mai târziu. Telescopul de neutrini IceCube a detectat atunci neutrini cu proprietăți care i-au convins pe cercetători că vin din regiuni îndepărtate ale universului.

De ce tocmai Polul Sud?

„Amplasarea observatorului de neutrini la Polul Sud geografic prezintă numeroase avantaje: acolo exista deja o stație de cercetare, care dispunea de transporturi regulate și de toate facilitățile necesare activității unei echipe. Gheața oferă, de asemenea, multe avantaje ca material. La o adâncime suficient de mare, întunericul este permanent.

Spre deosebire de ocean, nu există perturbații produse de organisme vii, iar nivelul substanțelor radioactive este scăzut. Gheața este stabilă și oferă o suprafață solidă pentru personalul care lucrează în cadrul instalației. Zona este stabilă din punct de vedere geologic, nefiind afectată de cutremure.

Un dezavantaj este faptul că frigul face imposibilă deplasarea către și dinspre Polul Sud în cea mai mare parte a anului. Toate activitățile practice trebuie desfășurate în timpul scurtei veri antarctice, între lunile noiembrie și februarie.”

AMANDA, primul pas

Mai întâi, echipa a testat senzorii în gheața din Groenlanda. Voia să vadă dacă aceștia pot înregistra lumina produsă de particule în gheață. Apoi a început construcția primului observator de neutrini de la Polul Sud, predecesorul lui IceCube, AMANDA.

Halzen a povestit că în Ajunul Crăciunului din 1993 stătea la masă cu laptopul în poală. Aștepta un mesaj care să confirme că primul cablu cu module optice fusese instalat în gheață.

Primele încercări au fost dezamăgitoare. Stratul de sus al gheții era plin de bule. Bulele împrăștiau lumina în toate direcțiile și estompau informațiile despre mișcarea particulelor. S-a dovedit însă că sub 1.400 de metri gheața e extrem de pură și transparentă. Acolo, lumina produsă de neutrini putea parcurge 300 de metri înainte să fie absorbită, mult mai mult decât se anticipase. A existat și un câștig secundar: cercetătorii au aflat multe despre proprietățile gheții la diferite adâncimi.

Construcția AMANDA a continuat până în ianuarie 2000. Totul a funcționat conform planului. Sistemul nu era însă destul de performant pentru a detecta neutrinii de mare energie veniți de la acceleratoarele cosmice. Era nevoie de un volum mai mare.

IceCube: un kilometru cub de gheață

Așa au început lucrările la IceCube, un cub de gheață cu latura de un kilometru, dotat cu senzori de lumină. Observatorul a ajuns la dimensiunea finală în 2011. Are 5.160 de senzori de lumină, distribuiți pe 86 de cabluri.

Un observator ca IceCube nu înregistrează doar neutrinii căutați. Neutrinii cosmici trebuie deosebiți de semnalele produse de razele cosmice care intră în atmosfera Pământului. Unele dintre aceste particule ajung până la senzorii aflați la 1.400–2.500 de metri sub suprafață. Zilnic sunt înregistrate peste o sută de milioane de astfel de particule, venite din atmosfera de deasupra Antarcticii. Razele cosmice produc neutrini și în atmosferă. Câteva sute dintre aceștia ajung zilnic la IceCube, după ce traversează Pământul dinspre emisfera nordică.

Ca să găsească neutrinii cosmici, cercetătorii aleg evenimentele în care neutrinii au interacționat cu gheața. Nu pot fi întotdeauna siguri că un anumit neutrin vine din afara Pământului. Pot însă analiza toate evenimentele selectate. Așa văd dacă, per total, acestea se potrivesc cu neutrinii cosmici și diferă de cei atmosferici.

Descoperirea

În 2013, echipa a prezentat primele dovezi ale descoperirii neutrinilor cosmici. Câțiva ani mai târziu, avea suficiente date pentru a confirma descoperirea cu certitudine.

Observatorul IceCube e susținut de National Science Foundation (Fundația Națională pentru Știință) din SUA. Detectorul său are un volum de un kilometru cub și e instalat în gheața glaciară pură de la Polul Sud. Cu el s-a detectat fluxul de neutrini de mare energie veniți de la „acceleratoarele naturale” ale universului. Colaborarea internațională din jurul observatorului reunește 450 de oameni de știință din 58 de instituții și 14 țări. Ei studiază, printre altele, caracteristicile și originea neutrinilor astrofizici de mare energie și a razelor cosmice, precum și proprietățile neutrinilor.

„Atunci când IceCube a detectat neutrini astrofizici, în 2013, sursele acestora erau necunoscute. Ulterior, însă, IceCube a raportat dovezi privind emisia de neutrini de către două galaxii: TXS 0506+056 și NGC 1068 (Messier 77). În 2023, IceCube a anunțat, de asemenea, observarea unor neutrini proveniți din propria noastră galaxie, Calea Lactee”, spune profesorul.

O astronomie nouă

Ce speră cercetătorii să afle de la neutrinii din univers? Astronomia neutrinilor a început la scară mică încă din anii ‘60, când Raymond Davis Jr. a observat neutrini veniți de la Soare. Rezultatul a fost confirmat de echipa observatorului de neutrini Kamiokande din Japonia. Aceasta a reușit să determine traiectoria neutrinilor și să le identifice originea. În 1987, Kamiokande a detectat un flux de neutrini legat de explozia unei stele, o supernovă, din Marele Nor al lui Magellan, galaxia noastră vecină.

Construirea și funcționarea observatorului IceCube, ca și cercetările făcute cu el, au fost o realizare tehnologică remarcabilă. Pentru rolul său decisiv în această realizare, Francis Halzen a primit Premiul Nobel.

Cercetarea nu se oprește aici. Fizicienii teoreticieni și experimentaliști încearcă să extindă Modelul Standard într-o teorie a câmpului unificat. Aceasta ar fi o teorie completă, care să explice toate fenomenele fizice, inclusiv constantele.

Profesorul Mircea Rusu încheie cu o concluzie. „Știința descoperă fenomene uneori neașteptate, care pot fi momentan fără nicio aplicație, dar cercetarea științifică umple o «cămară» cu fenomene descoperite, care cândva vor putea fi exploatate pe direcții încă necunoscute”, spune el.

Prof. univ. dr. Mircea V. Rusu a predat mai bine de patru decenii la Facultatea de Fizică a Universității din București, la Catedra de Fizică Atomică și Nucleară. În 1990 a înființat secția de astrofizică a facultății, iar din 1995 a coordonat programele de master în astrofizică. A lucrat în domenii foarte diferite: spectroscopie, efectul Mössbauer, fractali, sisteme dinamice neliniare și fizica Soarelui.

Pentru spectroscopia Mössbauer a primit în 1967 Premiul Ministerului Învățământului. În 1974 a primit Premiul „Constantin Miculescu” al Academiei Române, pentru studiile despre straturile subțiri amorfe. A fost profesor invitat la universitățile din Bonn și Göteborg.

A scris manuale școlare, cursuri universitare și monografii. În 2010 a fost desemnat „Profesorul anului” de Fundația „Dinu Patriciu”. Pe lângă activitatea de la catedră, a ținut lecții de fizică și în fața profesorilor, la Casele Corpului Didactic din mai multe orașe, printre care și Sibiul.