Ta znanstvena igrišča so začeli graditi v sredini šestdesetih let prejšnjega stoletja. Prostor zanje so strokovnjaki v večini primerov našli na območju predorov nekdanjih železniških postaj in opuščenih rudnikov. Podzemni pogoji nam omogočajo preučevanje pogojev, ki jih na površju Zemlje nimamo. Bomo ob pomoči podzemnih eksperimentov lahko z gotovostjo odgovorili na vprašanje, ali bi ljudje in živali lahko živeli v drugačnih pogojih, kot jih imamo na Zemlji?

Zakaj sploh raziskovati svet pod nami? Kaj so prednosti izoliranega okolja, ki ga obdaja odeja ledu, vode ali kamnin? Ta naravna pregrada deluje kot nekakšen ščit eksperimenta – obstajajo takšni poskusi, ki jih pri rezultatih lahko zmotijo viri zunaj našega osončja, kot so črne luknje, supernove in nevtronske zvezde, od koder izvira kozmično sevanje, ki bi lahko pomembno vplivalo in spremenilo rezultate.

V nadaljevanju potujemo na južni tečaj, v globokomorske nižine Sredozemskega morja. Pot nadaljujemo v nekdanji železniški predor pod Pireneji na meji med Francijo in Španijo, na koncu pa obiščemo še ta hip največjega na svetu, podzemni laboratorij Gran Sasso v Italiji.

Raziskovanje nevtrinov na južnem tečaju

Podzemnih laboratorijev ne najdemo le pod debelo plastjo kamnin in prsti. Več kot primeren prostor zanje je lahko tudi neskončna plast ledu. Na južnem tečaju na Antarktiki znanstveniki raziskujejo astronomijo in fiziko delcev. Pri tem jim že štirinajst let pomaga detektor IceCube. Ampak ali debela plast večnega snega in ledu na Antarktiki, ki, mimogrede, predstavlja 90 odstotkov svetovnega ledu, znanstvenikom sploh lahko omogoči podzemno raziskovanje? Seveda! Je kot nalašč za zaznavo nevtrinov, posebnih delcev, ki bi jih lahko primerjali z duhovi, ker so nevidni in enako izmuzljivi.

Nevtrini so med najbolj številnimi in najmanj razumljenimi delci, ki sestavljajo vesolje. Ker nimajo naboja, reagirajo le ob šibki sili in gravitaciji. Prehajajo skozi snov, tudi skozi človeško telo – pri tem pa jih ne morejo ustaviti niti milijoni kilometrov svinca. Ne le to – vsako sekundo skozi nas leti več kot 50 milijard nevtrinov.

Zgodba o prvem zaznavanju nevtrinov se še danes bere kot prava znanstvena pustolovščina, ki se odvija globoko pod površjem Zemlje. Vse se je začelo v zgodnjih petdesetih letih, ko sta se dva fizika, Clyde Cowan in Frederick Reines, odločila dokazati obstoj nevtrinov, ki jih je dobrih dvajset let pred njima opisal Wolfgang Pauli. Pauli je s temi delci pojasnil izginotje energije v nekaterih jedrskih reakcijah, vendar sam ni verjel, da jih bo kdo kdaj zares opazil. Cowan in Reines pa sta vztrajala. Postavila sta si nalogo in iznašla domiseln poskus ob jedrskem reaktorju v Južni Karolini v Združenih državah.

V bližini reaktorja sta postavila velike rezervoarje z vodo, pomešane s kadmijevim kloridom, v upanju, da bodo nevtrini v vodi povzročili zaznaven signal. Če bi nevtrino trčil v proton v vodi, bi se ustvaril blisk, ki bi ga lahko zaznala njuna detektorja. Štirinajstega junija 1956 sta njuna detektorja končno zaznala signale žarkov gama. To je bil prvi potrjeni dokaz obstoja nevtrinov, ki je postal prelomnica v raziskovanju vesolja, saj jima je uspelo dokazati obstoj delcev, ki prehajajo skozi planete in druge predmete, ne da bi pri tem puščali nam vidno sled. Štirideset let pozneje sta za svoje delo prejela Nobelovo nagrado za fiziko.

Ti zanimivi začetki raziskovanja 'fizikalnih duhcev' so še danes dobra opora najbolj zapletenim in težko razumljivim fizikalnim poskusom. Kot je ta, ki ga ob pomoči IceCuba izvajajo na južnem tečaju. Pred nekaj leti je kot tako imenovani winter over tam celih sedem mesecev skozi temno in ledeno mrzlo zimo ostal španski fizik in komunikator znanosti Carlos Pobes. Ljudje, ki na južnem tečaju preživijo zimo, dobijo naziv winter over.

Večina med njimi je znanstvenikov in drugega tehničnega osebja, ki skrbi, da med dolgo zimo vsi znanstveni projekti nemoteno tečejo. Med časom, ko z južnega tečaja vzleti zadnje letalo za tisto leto, kar je v sredini februarja, in do pristanka naslednjega letala, ki je šele zgodaj novembra, živijo na postaji Amundsen-Scott. Tam so brez sveže hrane, z zalogo zdravil, ki jo že na začetku prinesejo s seboj, in v družbi istih petdesetih ljudi. Imajo pa savno, telovadnico, glasbeno sobo in celo biljardno mizo. Raziskave na južnem tečaju potekajo neprestano. Podatke zbirajo noč in dan. Ko zazvoni alarm, je treba oditi v observatorij, ne glede na del dneva ali noči. "To, da si ljudje želimo izvedeti več o delovanju vesolja in dogajanju daleč v notranjosti galaksije, je glavna gonilna sila človeštva," pravi Carlos Pobes.

IceCube je do zdaj največji teleskop za opazovanje nevtrinov na svetu. Sestavlja ga več kot 5000 optičnih senzorjev, ki so nameščeni v 86 vertikalnih vrsticah, zakopanih v ledeni pokrov Antarktike. Senzorji so nameščeni na globini od 1500 do 2500 metrov. To je toliko, kot če bi v led izvrtali luknjo, globoko toliko, kot je naš Triglav. Nevtrini v veliki meri nastajajo med fuzijskimi reakcijami v notranjosti Sonca, pri tako imenovanem jedrskem zlivanju.

Če želimo zaznati nevtrine, ki prihajajo iz Sonca, potrebujemo detektor v velikosti bazena. A tu nastopi težava. Sonce nam je veliko bližje kot pa druge galaksije. Če želimo zaznati nevtrine iz teh oddaljenih okolij, potrebujemo še večji detektor, vsaj v velikosti enega kubičnega kilometra. Tak detektor bi bilo težko oziroma nemogoče zgraditi. Znanstveniki pa so se znašli drugače. Uporabili so naravno okolje trikilometrske ledene antarktične plasti. Carlos je bil na južnem tečaju pred dvanajstimi leti priča prelomnemu dogodku. Takšnemu, ki se pravzaprav zgodi samo enkrat v življenju znanstvenika.

Ta enkratni dogodek je sprožil nov raziskovalni val razlaganja vesolja. Prvi zaznamek nevtrina zunaj našega osončja so znanstveniki tako vpisali 3. januarja 2012. Lahko rečemo, da znanost z nevtrinsko hitrostjo potuje naprej. Na temeljna vprašanja fizike bo v prihodnjih letih pomagal odgovarjati IceCube druge generacije, ki bo zaznal desetkrat več nevtrinov kot obstoječi detektor. Šlo bo za nadgradnjo že obstoječe infrastrukture z dodajanjem novih in izboljšanih delov. Ob njegovi pomoči si obetamo odgovore o izvoru visokoenergijskih nevtrinov, ugankah, ki jih imamo pri preučevanju temne snovi, in raziskovanju zgodnje faze vesolja. V prihodnosti nam lahko pomagajo bolje razumeti proces nastanka osnovnih elementov, ki tvorijo življenje na Zemlji. Recimo nastanek vodika in helija, ki sta ključna gradnika življenja na Zemlji.

"Trenutna znanost ve, da del teh nevtrinov nastane v supermasivnih črnih luknjah v notranjosti določenih galaksij. Obstajajo pa različne vrste teh nevtrinov. Do zdaj poznamo znanstveniki štiri različne vire proizvajanja visokoenergijskih nevtrinov v celotnem vesolju," razloži Carlos Pobes. Z večjimi detektorji, kot bo tudi IceCube druge generacije, si lahko obetamo, da bomo ob njegovi pomoči dobili več statistike in informacij o vrstah objektov, ki proizvajajo nevtrine. Do zdaj so strokovnjaki lahko zaznali nevtrine, ki prihajajo iz galaksije, niso pa mogli določiti njihovega dejanskega izvora. Pri tem pa je pomembno še nekaj: IceCube bolje zaznava nevtrine, ki prihajajo s severne poloble, nekoliko manj pa tiste z južne. Zato, če želimo preučevati južno poloblo, potrebujemo detektor nevtrinov še na severni polobli.

Kaj se dogaja z nevtrini na severni polobli?

V globinah Sredozemskega morja na jugovzhodnem delu Sicilije leži najjužnejši kraj tega otoka. Imenuje se Capo Passero. Sto kilometrov od obale, skoraj štiri kilometre pod morsko gladino, lebdi detektor ARCA, ki je del večje trodimenzionalne mreže optičnih senzorjev KM3NeT, ki omogoča opazovanje celotnega neba, ravnine naše galaksije, ki z IceCuba ni vidna. Znanstveniki ga bodo uporabljali za zaznavo visokoenergijskih nevtrinov na južni polobli. Omogočil bo preučevanje kozmičnih pojavov, kot so črne luknje, supernove in drugi visokoenergijski procesi v vesolju. Teleskop še ni dokončan, po napovedih raziskovalcev bi lahko začel obratovati čez pet let. Primeren prostor zanj še iščejo, saj mora imeti dovolj stabilne morske tokove. Pri tem sodeluje višja raziskovalka v Nacionalnem inštitutu za nuklearno fiziko INFN v Cataniji na Siciliji Carla Distefano.

Kako bi si to tiho, nevidno popotovanje nevtrina v morski vodi lažje predstavljali? V morski vodi najprej potrebujemo prosojno sredstvo, kot je voda, za produkcijo in prenos svetlobe. Tipičen nevtrinski teleskop ima prostornino vsaj enega kubičnega kilometra in morje je prostor, kjer je mogoče najti takšno količino vode. Vendar se moramo potopiti globoko v morje, tudi zato, da zaščitimo detektor pred zelo intenzivno okolico zunaj vode, ki jo povzročajo kozmični žarki. Kako pa potem potujejo podatki iz nevtrinskega detektorja do več kilometrov oddaljene obale? Po optičnih vlaknih, ki svojo pot končajo v senzorjih obalnih raziskovalnih postaj. Pri tem pa pomembno vlogo igrajo tudi stabilni morski tokovi, ki omejujejo premikanje sestavnih delov teleskopa.

"Ker moramo poznati položaj prav vsakega senzorja, ki sestavlja naš teleskop, imamo sistem za določanje položaja, ki temelji na akustični tehnologiji," pravi Carla Distefano. Teleskop ima tako imenovana ušesa oziroma akustične senzorje, ki se uporabljajo za zaznavanje zvočnih signalov v globokem morju, recimo zvokov, ki jih oddaja kit. "Pomagajo pri kalibraciji položaja detektorja, spremljanju podvodnega okolja, potencialno pa pomagajo tudi pri novih metodah zaznavanja visokoenergijskih nevtrinov. To nam koristi tudi zato, ker lahko s to enako tehnologijo recimo poslušamo potrese ali pa eksplozije zračnih topov, ki jih uporabljajo za iskanje nafte in se širijo kilometre daleč. Ne gre za prijetne zvoke, sploh ne. Za nas je zelo pomembno preučevanje globokomorskih zvokov. Na primer kit glavač v morskih globinah proizvaja zvoke, podobne klikom. S tem bi lahko primerjali delovanje našega teleskopa."

Podzemni prostor Pirenejev: Človeško in ribje potovanje na Mars

Znanstveniki pod zemljo raziskujejo nevtrine, izvajajo tudi raziskave oceanografije. Kaj pa notranjost masivnih gora? V Pirenejih, naravni pregradi med Francijo in Španijo, najdemo podzemni laboratorij Canfranc, v katerem raziskujejo osnovna vprašanja o sestavi vesolja, naravi temne snovi in lastnostih nevtrinov, s čimer pomembno prispevajo k napredku sodobne fizike. Poleg tega edinstveno podzemno okolje omogoča študije mikrobiologije in ekstremofilnih organizmov, ki uspevajo v pogojih s skoraj nič svetlobe, povišanim pritiskom in odsotnostjo kisika. Ti rezultati lahko v prihodnosti pomembno prispevajo k razlaganju astrobiologije, tako imenovanemu iskanju življenja v vesolju.

V začetnih dneh druge svetovne vojne je bilo zdajšnje območje laboratorija Canfranc namenjeno zelo pomembni podzemni železniški povezavi za Jude, ki so poskušali uiti iz zasedene Francije. Ob razplamtenju vojne je postaja prešla v roke nacistov, ki so jo uporabljali za skrivno pošiljanje ukradenega zlata, pozneje za prevoz nacističnih vojnih zločincev izpod rok zaveznikov. Po vojni je postaja normalno delovala več kot dvajset let. Za njeno dokončno zaprtje pa je v 70. letih prejšnjega stoletja poskrbel iztirjen vlak.

Danes do prostorov laboratorija 1600 kvadratnih metrov pod površjem, 800 metrov globoko vodi več kilometrov dolg predor, ki znanstvenike pripelje do mesta, kamor ima dostop le malo ljudi. Med njimi je biolog, raziskovalec in direktor laboratorija Canfranc Carlos Peña Garay.

Čeprav je predor zelo velik, znanstveniki ne čutimo klavstrofobije. Posebno v primerjavi z drugimi delovnimi okolji pa je morda še to, da raziskovalci med svojim delom pogosto ne vidijo dnevne svetlobe. "Laboratorij je v tem smislu podoben Batmanovi jami," pravi profesor Peña Garay. Vendar pa se po tem, če bi odprli vrata v laboratorij, izriše povsem drugačen, sofisticiran prostor, poln visoko zmogljivih tehnoloških naprav. Med njimi lahko najdemo različne detektorje, senzorje, nekateri so celo najbolj občutljivi na svetu. S tem, ko jih postavimo pod površje Zemlje, pomembno zmanjšamo kozmično sevanje, ki bi sicer močno vplivalo na rezultate poskusov.

Ti neželeni šumi bi lahko ovirali zaznavanje zelo šibkih signalov, kot so tisti, povezani s temno snovjo ali nevtrini. Že minimalna količina radioaktivnih snovi v materialih, iz katerih so recimo izdelani instrumenti, bi lahko oddajala za poskus moteče sevanje. Detektor je zdaj v veliko boljših pogojih, ampak kaj pa celice? Ali vedo, da smo v podzemnem laboratoriju, kjer je sevanje padlo pod raven, ki smo je vajeni? Kaj se zgodi, če odstranimo sevanje, za katero vemo, da je škodljivo, a ga recimo uporabljamo v medicinske namene: pri zdravljenju raka, za uničenje rakavih celic.

Če ga povečamo, vemo, da povzroča poškodbe. Kaj pa, če ga zmanjšamo? Ali to koristi sistemu in celicam ali ne? Seveda ne koristi, saj so bile naše celice, tiste na površju, že več milijard let prilagojene na določeno raven sevanja. "Znanstveniki tako ugotovimo, da obstajajo negativni učinki zmanjšanja sevanja pod to raven, ki jo imamo na površju Zemlje. Poskušamo razumeti te učinke ter jih izkoristiti v številnih raziskavah. Poskušamo razumeti, ali se naše celice starajo drugače ali ne, tudi kako se razvijajo v takih pogojih, pove Carlos Peña Garay. To so ideje, ki jih za zdaj znanstveniki razvijajo v biologiji in biokemiji. Raziskave, ki jih opravljajo pod zemljo, pa nimajo le vpliva v fiziki, biologiji in biokemiji. V prihodnosti bodo pripomogle k razumevanju zakonitosti potovanja na Mars, v breztežnostni prostor.

V podzemnem laboratoriju Canfranc izvajajo pomembno raziskavo, s katero poskušajo ugotoviti, kako na ribje zarodke vpliva podzemno okolje. Kako nanje vplivata mikrogravitacija in pomanjkanje radiacije. Pravzaprav želijo ribje embrie izpostaviti čim bolj podobnim pogojem, kot bi jih doživeli na Marsu.

Rezultati, ki jih v podzemnem laboratoriju preučujejo znanstveniki, pa lahko pomagajo tudi pri drugih vidikih človeškega življenja. Poleg želje po človeškem in ribjem potovanju na Mars strokovnjaki izvajajo raziskave obnove DNK, zdravljenja raka, nadzorovanja celjenja poškodb in podobno.

Apenini, prostor največjega podzemnega laboratorija na svetu

V globinah osrednjega dela gorske verige Apenini v Italiji je za zdaj največji podzemni laboratorij na svetu Gran Sasso, ki v nasprotju z drugimi podzemnimi laboratoriji ni nastal na območju opuščene železnice ali nekdanjega rudnika. Je prvi na novo zgrajeni podzemni laboratorij, namenjen izključno preučevanju fizike delcev. Še vedno ohranja svojo pomembno svetovno vlogo pri preučevanju nevtrinov in temne snovi. Doktor Ezio Previtali temu področju raziskovanja namenja že več kot trideset let svojega življenja. "Iščemo specifičen model, ki predpostavlja, da je temna snov kot plin delcev, ki prežema našo galaksijo, in poskušamo razumeti, ali bi ti delci lahko medsebojno reagirali z običajno snovjo. Pri tem si pomagamo z zelo velikim, masivnim detektorjem." Takšno predpostavko pa znanstveniki uporabljajo pri vseh podzemnih poskusih. V Nacionalnem laboratoriju Gran Sasso skupaj s sodelavcem, doktorjem Marcellom Messino raziskujeta temno snov in študije, ki bodo koristile pri raziskovanju gravitacijskih valov, zelo pomembnih sprememb v prostoru in času, ki jih povzroči gibanje masivnih objektov v vesolju.

Gravitacijske valove si lahko najlažje predstavljamo kot valove na vodi, ko v mirno jezero vržemo kamen. Njihovemu preučevanju bo v prihodnjih desetih oziroma petnajstih letih namenjen podzemni laboratorij.

Lokacija za zdaj še ostaja predmet znanstvene razprave. Znanstveniki trenutno sodelujejo pri evropskem projektu za detektor gravitacijskih valov, ki se bo imenoval Einsteinov teleskop. Napovedujejo, da bo desetkrat občutljivejši od obstoječih teleskopov, kar bi omogočilo zaznavo gravitacijskih valov pri nižjih frekvencah. "Glavni eksperiment je to, da gledamo za zelo, zelo redkimi procesi v fiziki delcev. Medtem ko smo izvajali ta eksperiment, so znanstveniki razvili t. i. temperaturno ničlo, to je meja temperature, ki jo na svetu lahko dosežemo. No, njim je uspelo izvesti poskus pri sedmih mili kelvinih. To je res neverjetno," pove fizik Marcello Messina. Detektorji, s katerimi delajo, so zelo občutljivi na zelo nizek hrup. Sposobni pa so zaznati in videti valove morja na obali Portugalske, medtem ko so na Gran Sassu.

Kako lahko torej absolutna ničla pripomore k razvoju Einsteinovega teleskopa, ki ga načrtujejo postaviti na območju Sardinije? Njegov namen bo natančnejše zaznavanje gravitacijskih valov. Zelo nizke temperature, blizu nič kelvinov, pomagajo zmanjšati toplotni šum in izboljšati občutljivost detektorjev, ki zaznavajo gravitacijske valove.

Biologija z raziskovanjem ekstremofilov nam lahko v prihodnosti pomaga razumeti življenje v drugačnih pogojih, kot jih zdaj živimo na Zemlji. Ob pomoči geografije, geologije in oceanografije lahko znanstveniki iz podzemlja preučujejo sestavo tal in zaznavajo potrese, ki so zelo oddaljeni raziskovalnemu laboratoriju. Ti podatki bodo v prihodnje izboljšali napovedovanje potresne dejavnosti, posledično pa tudi našo varnost. Nenazadnje pa ne moremo mimo pomembnosti geografsko izoliranih podzemnih laboratorijev pri razvoju fizike nevtrinov in temne snovi, ki ostaja edini nam znan ključ za odprtje več nam do zdaj nepoznanih skrivnosti oddaljenega vesolja in najbolj izmuzljivih vprašanj človeškega obstoja.

Galileo Galilei je že pred 400 leti postavil dobre temelje za sodobno razumevanje fizikalnih zakonov vesolja. Danes znanstveniki vesolje seveda opazujejo z drugačnimi teleskopi in pripomočki, kot ga je Galileo, a imajo enak cilj – odkriti in razumeti želijo, kakšno je naše mesto v vesolju. Pri tem pa je namen temeljne znanosti spreminjanje vsakdanjega življenja, saj znanstveniki in raziskovalci ustvarjajo vse tehnologije, ki jih danes lahko izkoriščamo ljudje.