نمایه - فرانسیس هالزن، برنده جایزه نوبل فیزیک پشت شکار "ذره ارواح" قطب جنوب کیست؟

ایده فرانسیس هالزن به اندازه محیطی که در آن آزمایش می شد جسورانه بود: تبدیل یک کیلومتر مکعب یخ قطب جنوب به تلسکوپی که قادر به مشاهده ذرات تقریبا نامرئی از دورترین نقاط جهان است.

این دانشمند بلژیکی-آمریکایی، تقریبا چهار دهه پس از آغاز اجرای این طرح، جایزه نوبل فیزیک 2026 را به خاطر رهبری رصدخانه نوترینو IceCube و کشف نوترینوهای پرانرژی که منشا آن در فضا است، دریافت کرد.

آکادمی سلطنتی علوم سوئد از هالزن «به دلیل مشارکت قاطع در رصدخانه نوترینویی مکعب یخی و کشف نوترینوهای پرانرژی با منشأ اخترفیزیکی» تقدیر کرد.

مارک پیرس، رئیس کمیته نوبل فیزیک، گفت که هالزن رهبری یک تیم بین المللی را بر عهده داشته است که یک ابزار علمی خارق العاده ایجاد کرده است.

پیرس گفت: "سرسختی و بینش علمی او راه را برای نوع جدیدی از نجوم هموار کرده است."

هالزن در 23 مارس 1944 در تینن بلژیک به دنیا آمد. او ریاضیات و فیزیک را در KU Leuven خواند، جایی که مدرک کارشناسی ارشد خود را در سال 1966 دریافت کرد و دکترای خود را با تمرکز بر تقارن شکسته هادرون ها در سال 1969 به پایان رساند.

او پس از کار به عنوان یک همکار علمی در سازمان اروپایی تحقیقات هسته ای (سرن) در ژنو، به دانشگاه ویسکانسین-مدیسون برای دیداری تحقیقاتی شش ماهه دعوت شد.

هالزن در سال 1972 به دانشکده فیزیک دانشگاه پیوست و بیش از پنج دهه در آنجا ماند. او پروفسور تحقیقاتی ویلاس و استاد برجسته گرگوری بریت شد و در تقاطع فیزیک ذرات، اخترفیزیک و کیهان‌شناسی کار می‌کرد.

اوایل کار او با توسعه مدل استاندارد فیزیک ذرات مصادف شد و او روی کاربردهای آن در برخورد دهنده های ذرات و پرتوهای کیهانی کار کرد. او همچنین کتاب درسی کوارک ها و لپتون ها را که به طور گسترده در دوره های فیزیک ذرات مورد استفاده قرار گرفت، نوشت.

با این حال، در اواسط دهه 1980، توجه او به نوترینوها معطوف شد، ذرات خنثی الکتریکی با جرم بسیار کوچک که به ندرت با ماده برهم کنش دارند.

ماهیت گریزان آنها لقب «ذرات روح» را برای آنها به ارمغان آورده است، اما آنها را به پیام رسان های بالقوه نجومی با ارزش تبدیل کرده است. برخلاف نور، نوترینوها می توانند از گاز، غبار، سیارات و سایر مواد بدون جذب یا انحراف عبور کنند.

هالزن گفت که مطالعه آنها می تواند به دانشمندان اجازه دهد "چیزهایی را در جهان ببینند که به هیچ وجه نمی توانستند ببینند."

مشکل شناسایی آنها بود. یک نوترینو ممکن است بدون برخورد با یک اتم از فواصل بسیار زیادی عبور کند، به این معنی که محققان برای مشاهده برهمکنش‌های نادری که رخ می‌دهند به یک آشکارساز فوق‌العاده بزرگ و تاریک نیاز داشتند.

در سال 1987، هالزن کار بر روی آرایه آشکارساز میون و نوترینو قطب جنوب، معروف به AMANDA را آغاز کرد. این پروژه آزمایش کرد که آیا آشکارسازهای نور حساس می توانند در اعماق یخ های قطب جنوب نصب شوند یا خیر.

محققان با استفاده از آب داغ هزاران متر را در یخ حفر کردند و کابل های مجهز به حسگرهای نوری را قبل از یخ زدن دوباره آب پایین آوردند. آماندا نشان داد که یخ عمیق به اندازه کافی شفاف و پایدار است تا به عنوان آشکارساز ذرات عمل کند.

این آزمایش به پایه تکنولوژیکی برای رصدخانه بسیار بزرگتر IceCube تبدیل شد.

ساخت IceCube در سال 2004 آغاز شد. کابل نهایی آن یا "رشته" در دسامبر 2010 به داخل یخ فرو رفت و اولین اجرای علمی کاملا مجهز آن در می 2011 آغاز شد.

رصدخانه تکمیل شده شامل 5160 حسگر نوری است که در حدود یک میلیارد تن یخ قطب جنوب تعبیه شده است. هنگامی که یک نوترینو گهگاه با هسته اتم برخورد می کند، ذره ای باردار تولید می کند که درخشش آبی کم رنگی به نام تابش چرنکوف از خود ساطع می کند. حسگرها آن نور را ثبت می‌کنند و به محققان اجازه می‌دهند انرژی و جهت نوترینو را تخمین بزنند.

هالزن گفت: "ما کار کوچکی را شروع کردیم و در کمال تعجب خودمان بر همه این موانع غلبه کردیم."

پیشرفت IceCube در سال 2013 اتفاق افتاد، زمانی که این همکاری شواهدی از ورود نوترینوهای پرانرژی از فراتر از منظومه شمسی را گزارش کرد. این یافته نشان داد که ذرات تولید شده توسط برخی از قوی ترین اجرام جهان را می توان از طریق یخ قطب جنوب شناسایی کرد.

پیشرفت بیشتر در سپتامبر 2017، زمانی که IceCube یک نوترینوی با انرژی تخمینی 290 تریلیون الکترون ولت را شناسایی کرد و به سرعت به رصدخانه های دیگر هشدار داد، رخ داد.

مشاهدات بعدی این ذره را به TXS 0506+056، یک کهکشان فعال دوردست که از یک سیاهچاله بسیار پرجرم در فاصله 4 میلیارد سال نوری از زمین تغذیه می کند، متصل کرد. این اولین شواهد قانع کننده از منبع نوترینوهای کیهانی پرانرژی ارائه کرد و پتانسیل ترکیب آشکارسازی نوترینو با تلسکوپ های معمولی را نشان داد.

IceCube از آن زمان برای مطالعه پرتوهای کیهانی، ماده تاریک، خواص نوترینو، راه شیری و کهکشان‌های فعال از جمله NGC 1068 استفاده شده است.

هالزن افتخارات متعددی را قبل از نوبل دریافت کرد، از جمله جایزه بالزان، جایزه برونو پونتکوروو، جایزه یوده IUPAP و مدال سال 2026 انجمن فیزیک آمریکا برای دستاوردهای استثنایی در تحقیقات. او در سال 2024 به عضویت آکادمی ملی علوم ایالات متحده انتخاب شد.