Zaplecze badawcze w fizyce – czym jest i dlaczego decyduje o odkryciach?

Gotowe podziemne jaskinie eksperymentu DUNE to ważny krok ku lepszemu poznaniu neutrin — nieuchwytnych cząstek, które niemal bez śladu przenikają przez materię. Nad projektem pracują naukowcy z Fermilab oraz międzynarodowe zespoły badawcze. Ogromne komory osłonią detektory przed promieniowaniem kosmicznym, które mogłoby zakłócić niezwykle czułe pomiary.

DUNE, czyli Deep Underground Neutrino Experiment, będzie śledzić neutrina na trasie liczącej około 1300 kilometrów. Fermilab w stanie Illinois wyśle wiązkę cząstek do detektorów w Sanford Underground Research Facility w Dakocie Południowej. Podczas podróży neutrina mogą zmieniać rodzaj — zjawisko to nazywamy oscylacją. Porównując pomiary przy źródle i pod ziemią, badacze sprawdzą, jak często zachodzą te przemiany i czy neutrina oscylują inaczej niż antyneutrina.

Schłodzony argon może ujawnić, dlaczego materia zdominowała Wszechświat

W jaskiniach naukowcy umieszczą wielkie detektory ciekłego argonu, które zarejestrują ślady rzadkich zderzeń neutrin z atomami. Ponieważ argon trzeba utrzymywać w temperaturze około −186°C, instalacja będzie wymagała rozbudowanych systemów chłodzenia i precyzyjnej kontroli warunków. Gruba warstwa skał osłoni detektory i ograniczy zakłócenia, dzięki czemu łatwiej wychwycą sygnały ginące na powierzchni w tle.

Najbardziej fascynuje mnie rozmach projektu: DUNE pomoże zbadać, dlaczego Wszechświat składa się głównie z materii, a nie z równych ilości materii i antymaterii. Ponadto eksperyment dostarczy informacji o neutrinach powstających podczas wybuchów supernowych. Ukończenie jaskiń to dopiero początek — zespoły muszą jeszcze zainstalować detektory, uruchomić aparaturę i przez lata zbierać dane. Mimo to powstał już solidny fundament pod badania, które mogą odsłonić jedne z największych tajemnic fizyki cząstek. Jeżeli ciekawi cię ta tematyka, sprawdź, jak przebiega koronarografia i jak się do niej przygotować.

Zaplecze badawcze w fizyce i naukach pokrewnych: infrastruktura, współpraca oraz narzędzia odkryć

Obszar	Dane i szczegóły	Znaczenie dla badań
Synchrotron SOLARIS i mechanizmy widzenia	Współpraca Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS z Instytutem Chemii Fizycznej PAN rozpoczęła się od porozumienia podpisanego w 2023 r. W jego ramach powołano platformę ElectrochemistryHub, opisywaną także jako ElectroChemistry Hub.	Platforma wspiera wykorzystanie promieniowania synchrotronowego i kilku linii eksperymentalnych do badań układów chemicznych i biologicznych, również w warunkach pracy materiału.
Badany proces biologiczny	Badania dotyczą regeneracji 11-cis-retinolu, kluczowego etapu cyklu wzrokowego. Białko RPE65 katalizuje przemianę estru trans-retinylowego do 11-cis-retinolu; 11-cis-retinal pełni funkcję chromoforu w pręcikach i czopkach.	Wyjaśnienie mechanizmu reakcji może pomóc zrozumieć molekularne podstawy widzenia oraz znaczenie aktywności RPE65. Nieaktywna forma białka może być związana z chorobami genetycznymi prowadzącymi do ślepoty.
Projekt i metody obliczeniowe	Badania prowadzone są m.in. w ramach projektu OPUS 2020/39/B/ST4/01952. Łączą symulacje oparte na fizyce kwantowej z eksperymentami na kompleksie biomimetycznym — małocząsteczkowym modelu centrum aktywnego RPE65.	Połączenie modelowania i pomiarów pozwala zestawić przewidywany mechanizm reakcji z obserwacjami eksperymentalnymi.
Linie badawcze i pomiary rentgenowskie	Na linii POLYX wykonywano rentgenowskie pomiary absorpcyjne i emisyjne. Analizowano modele zawierające centrum żelazowe oraz octan retinylu; badania obejmowały zmiany stopnia utlenienia żelaza i jego otoczenia koordynacyjnego.	Widma dostarczają informacji o strukturze elektronowej i zmianach zachodzących w trakcie reakcji, co pomaga określić funkcję chemiczną badanego modelu.
Sekwencja pomiarów	Pierwszy opisany pomiar absorpcyjny w badanym materiale wykonano wiosną 2024 r. W lutym 2025 r. przeprowadzono pomiar wysokorozdzielczej spektroskopii emisyjnej, uzupełniający wcześniejsze dane.	Zestawienie obu metod pozwala badać zarówno nieobsadzone, jak i obsadzone stany elektronowe, tworząc pełniejszy obraz struktury elektronowej.
Nowatorskie możliwości pomiarowe	Pomiar emisyjny wykonano na linii POLYX z użyciem spektrometru rentgenowskiego w geometrii von Hámos. Był to pierwszy w NCPS SOLARIS pomiar metodą wysokorozdzielczej spektroskopii emisyjnej; spektrometr udostępnił IFJ PAN na podstawie odrębnego porozumienia.	Dostęp do wyspecjalizowanej aparatury i kompetencji partnerskiego instytutu rozszerza zakres pomiarów możliwych do wykonania w ośrodku.
Zespoły i współpraca naukowa	W badania zaangażowane były badaczki z IChF PAN i SOLARIS, zespół linii POLYX oraz współpracownicy z Zakładu Spektroskopii Stosowanej IFJ PAN w Krakowie. W pracach nad obliczeniami uczestniczył także dr hab. Adam Kubas.	Współdziałanie specjalistów od chemii, spektroskopii, obliczeń kwantowych i infrastruktury pomiarowej łączy kompetencje potrzebne do rozwiązania złożonego problemu.
Zespół Przetwarzania Sygnałów AGH	Zespół działa w Instytucie Elektroniki na Wydziale Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji AGH. Kieruje nim prof. Konrad Kowalczyk; grupa liczy kilkunastu pracowników naukowych i doktorantów.	Stały zespół badawczy łączy kompetencje w zakresie przetwarzania sygnałów, uczenia maszynowego, elektroniki i zastosowań obliczeniowych.
Międzynarodowa i przemysłowa współpraca	Wśród partnerów akademickich zespołu AGH wymieniono Johns Hopkins University, Tampere University i Brno University of Technology. Grupa współpracuje również z krajowym przemysłem oraz realizowała projekty badawcze i komercyjne.	Partnerstwa ułatwiają wymianę wiedzy, rozwój wspólnych projektów i konfrontowanie metod z potrzebami praktycznych zastosowań.
Uczenie maszynowe i cyfrowe przetwarzanie sygnałów	Metody obejmują klasyczne cyfrowe przetwarzanie sygnałów (DSP), statystyczne przetwarzanie sygnałów i uczenie maszynowe. Zastosowania obejmują mowę, dźwięk, multimedia, Internet rzeczy (IoT), komunikację oraz rzeczywistość wirtualną i rozszerzoną.	Łączenie metod pozwala analizować złożone dane, poprawiać jakość sygnałów i tworzyć narzędzia dla badań oraz technologii użytkowych.
Sygnały biomedyczne i audio-wideo	Zakres badań obejmuje m.in. sygnały EEG i obrazy medyczne, a także przetwarzanie mowy i dźwięku. Rozwijane kompetencje obejmują redukcję szumów i pogłosu, separację sygnałów, lokalizację źródeł dźwięku oraz rozpoznawanie mowy, języka, emocji i mówcy.	Zaawansowana analiza sygnałów może wspierać badania medyczne, komunikację człowieka z urządzeniami i rozwój systemów multimedialnych.
Kształcenie i rozwój kadr	Zespół AGH prowadzi podstawowe i zaawansowane kursy z DSP, uczenia maszynowego oraz programowania aplikacji wbudowanych i multimedialnych na poziomie licencjackim i magisterskim. Studenci mogą uczestniczyć w projektach badawczych i badawczo-rozwojowych, stażach oraz pracach dyplomowych.	Zaplecze badawcze obejmuje nie tylko aparaturę i metody, lecz także kształcenie osób zdolnych rozwijać kolejne narzędzia i projekty.
Od laboratorium do zastosowań	Kompetencje zespołów przekładają się na badania podstawowe i stosowane, doradztwo, weryfikację technologii oraz współpracę badawczo-rozwojową z przemysłem. W obszarze DSP wskazano m.in. zastosowania w komunikacji, IoT, motoryzacji, kinie domowym, VR i AR.	Połączenie infrastruktury, zespołów i metod umożliwia przejście od pomiaru lub analizy danych do sprawdzalnych wniosków i rozwiązań technologicznych.

Synchrotron SOLARIS odsłania molekularne mechanizmy widzenia

Widzenie wydaje się proste: światło wpada do oka, a my rozpoznajemy twarz, kolor czy kształt. Za tym wrażeniem kryje się jednak precyzyjny łańcuch reakcji chemicznych. Badaczki i badacze z Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS w Krakowie analizują jeden z jego kluczowych etapów, wykorzystując światło synchrotronowe do badania molekularnych szczegółów procesu widzenia.

W centrum ich zainteresowania znalazły się retinoidy — rozpuszczalne w tłuszczach związki będące pochodnymi witaminy A. Pełnią różne funkcje biologiczne, między innymi uczestniczą w regulacji różnicowania komórek i gospodarki hormonalnej. Dla oka szczególne znaczenie ma jednak 11-cis-retinal, prekursor chromoforu obecnego w światłoczułych pręcikach i czopkach siatkówki.

Gdy chromofor pochłania światło, zmienia kształt: forma 11-cis przechodzi w formę trans. Ta przemiana uruchamia sygnał wzrokowy, ale zarazem zużywa aktywną postać związku, którą organizm musi odtworzyć. W regeneracji uczestniczy białko RPE65. Mutacje zaburzające jego działanie mogą poważnie pogorszyć widzenie, a nawet doprowadzić do ślepoty. Dlatego poznanie mechanizmu pracy tego białka może pomóc wyjaśnić zarówno podstawy widzenia, jak i przyczyny niektórych chorób siatkówki.

Jak żelazo pomaga odtworzyć cząsteczkę niezbędną do widzenia

Zespół dr Małgorzaty Zienkiewicz-Machnik z Instytutu Chemii Fizycznej PAN i dr Anny Wach z SOLARIS bada kluczowy etap regeneracji: przemianę estru trans-retinylowego w 11-cis-retinol, którą w organizmie katalizuje RPE65. Naukowczynie analizują małocząsteczkowe modele biomimetyczne naśladujące wybrane cechy centrum aktywnego białka. Wykorzystują między innymi octan retinylu oraz związki żelaza.

Badaczki prowadzą eksperymenty na linii POLYX. Dzięki rentgenowskim widmom absorpcyjnym i emisyjnym obserwują strukturę elektronową jonów żelaza. Mogą sprawdzić, jak podczas reakcji zmienia się stopień utlenienia metalu i jakie atomy bezpośrednio go otaczają. Te lokalne zmiany mogą wyjaśnić, jak centrum aktywne wspiera przebudowę cząsteczki retinoidu.

Doświadczenia uzupełniają obliczenia kwantowe dra hab. Adama Kubasa z IChF PAN. Symulacje wskazują najbardziej prawdopodobny przebieg reakcji, a dane synchrotronowe pozwalają zweryfikować przewidywania eksperymentalnie. Dzięki połączeniu obu metod naukowcy mogą śledzić zarówno zachowanie elektronów, jak i zmiany chemiczne w modelowym układzie.

Współpraca IChF PAN i SOLARIS rozpoczęła się w 2023 roku wraz z uruchomieniem platformy ElectrochemistryHub. Platforma wspiera badania zaawansowanych procesów chemicznych i biologicznych z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego. Badania nad mechanizmem widzenia wpisują się w szersze prace nad reakcjami katalitycznymi, ważnymi dla medycyny, energetyki i technologii środowiskowych.

Wiosną 2024 roku zespół wykonał pierwszy pionierski pomiar rentgenowskich widm absorpcyjnych badanego materiału. Widma ujawniły informacje o nieobsadzonych stanach elektronowych, a więc o tym, jak materiał może przyjmować elektrony i reagować chemicznie. Następnie, w lutym 2025 roku, badacze przeprowadzili na linii POLYX wysokorozdzielczy pomiar rentgenowskich widm emisyjnych, który dostarczył danych o stanach obsadzonych. Był to pierwszy w SOLARIS pomiar z użyciem wysokorozdzielczej spektroskopii emisyjnej.

Podczas eksperymentu zespół użył spektrometru rentgenowskiego o geometrii von Hámos, udostępnionego SOLARIS przez Instytut Fizyki Jądrowej PAN. Próbki umieszczono w kwarcowych kapilarach, co pozwoliło śledzić zmiany w mieszaninie reakcyjnej podczas pomiaru. Dzięki temu badacze mogli obserwować układ w trakcie reakcji, a nie tylko analizować materiał przed nią i po niej.

Znaczenie tych badań wykracza poza pojedynczy pomiar. Im lepiej naukowcy poznają mechanizm działania RPE65 i rolę jego metalicznego centrum, tym dokładniej opiszą proces odtwarzania cząsteczki niezbędnej do widzenia. W przyszłości ta wiedza może wesprzeć poszukiwanie sposobów kontrolowania aktywności białka, między innymi w badaniach nad zwyrodnieniem plamki żółtej. To przykład, jak badania pojedynczych elektronów pomagają zrozumieć coś bliskiego każdemu z nas — patrzenie na świat.

Zespoły i współpraca naukowa wzmacniają potencjał badawczy

Najciekawsze odkrycia rzadko rodzą się w pojedynkę. Sama widzę, jak wiele zyskuję, gdy badaczki i badacze łączą umiejętności, metody oraz doświadczenia. Dobrym przykładem jest współpraca Instytutu Chemii Fizycznej PAN z Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS przy platformie ElectrochemistryHub. Chemicy, fizycy i specjaliści od biologii wspólnie analizują procesy ważne dla medycyny, energetyki i ochrony środowiska, korzystając z aparatury, do której pojedynczy zespół nie zawsze miałby dostęp.

Przykłady pokazują, jak różnorodne korzyści przynosi współpraca zespołów badawczych:

• łączenie umiejętności, metod i doświadczeń badaczek oraz badaczy;
• wspólne analizowanie procesów ważnych dla medycyny, energetyki i ochrony środowiska;
• korzystanie z aparatury, która może być niedostępna dla pojedynczego zespołu;
• przekładanie pomysłów na projekty badawcze, komercyjne i technologie przydatne w praktyce.

W jednym z projektów badaczki sprawdzają, jak białko RPE65 uczestniczy w odtwarzaniu 11-cis-retinolu, niezbędnego do podtrzymania widzenia. W tym celu łączą symulacje kwantowe z eksperymentami na modelach naśladujących aktywne centrum białka. Ponadto pomiary rentgenowskie na linii POLYX pozwalają śledzić zmiany w strukturze elektronowej i otoczeniu jonów żelaza. Dzięki temu badaczki uzyskują pełniejszy obraz reakcji, a zarazem lepiej rozumieją procesy, których zaburzenia mogą prowadzić do poważnych chorób wzroku.

Od podziemnych jaskiń po EEG — wspólna praca zmienia śmiałe pomysły w realne wyniki

Współpraca ma znaczenie również wtedy, gdy badania wymagają przestrzeni i rozwiązań na wielką skalę. W eksperymencie DUNE zespoły zakończyły budowę podziemnych jaskiń dla detektorów neutrin, a Fermilab przygotowuje się do rozpoczęcia badań nad tymi nieuchwytnymi cząstkami. To świetny przykład tego, jak inżynierowie, technicy i naukowcy wspólnie tworzą warunki do eksperymentów przekraczających możliwości jednej instytucji.

Z kolei grupa przetwarzania sygnałów na AGH, którą tworzy kilkunastu pracowników i doktorantów, pokazuje siłę współpracy w pracy nad nowymi technologiami. Jej członkinie i członkowie łączą klasyczne metody cyfrowego przetwarzania sygnałów, statystykę oraz uczenie maszynowe. Badają między innymi mowę, dźwięk i sygnały EEG, a także rozwijają rozwiązania dla rzeczywistości wirtualnej. Dzięki współpracy z Johns Hopkins University, Tampere University, Brno University of Technology oraz krajowym przemysłem przekładają pomysły na projekty badawcze i komercyjne oraz technologie przydatne w praktyce. Jako badaczka szczególnie cenię tę wymianę: wzmacnia kompetencje zespołu, otwiera studentom nowe możliwości i pomaga zamieniać ambitne pytania w konkretne wyniki.

Od uczenia maszynowego po sygnały biomedyczne: narzędzia, które napędzają odkrycia