Dr Masayuki Wada to wybitny fizyk doświadczalny, adiunkt w Centrum Naukowo-Technicznym Astrofizyki Cząstek (AstroCeNT) przy Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika Polskiej Akademii Nauk w Warszawie. Jego badania skupiają się na rozwoju ultraczystych fotodetektorów opartych na fotopowielaczach krzemowych, kluczowych w poszukiwaniach cząstek ciemnej materii, takich jak słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMP). Po uzyskaniu doktoratu na Uniwersytecie Teksańskim w Austin i pracy badawczej na Uniwersytecie Princeton, dr Wada dołączył do międzynarodowych projektów, takich jak DarkSide, mających na celu bezpośrednie wykrywanie ciemnej materii. Od 2019 roku kieruje grupą badawczą w AstroCeNT, która rozwija nowoczesne technologie fotodetekcji, wykorzystywane zarówno w badaniach fizyki cząstek elementarnych, jak i w fizyce medycznej, m.in. w skanerach Pozytonowej Tomografii Emisyjnej (PET). Współpracuje z renomowanymi instytucjami, takimi jak Uniwersytet Princeton i włoski Narodowy Instytut Fizyki Jądrowej (INFN), a także angażuje się w kształcenie przyszłych naukowców, opiekując się studentami licencjackimi i doktorantami.
Aby zgłębić temat badań nad ciemną materią, nowoczesnych technologii fotodetekcji oraz wyzwań związanych z kształceniem przyszłych naukowców, dr Masayuki Wada podzielił się swoimi doświadczeniami w poniższej rozmowie. Wywiad ten daje wgląd nie tylko w aktualne projekty badawcze doktora, lecz także w szerszy kontekst międzynarodowej współpracy naukowej i różnic edukacyjnych między Japonią a Polską.
Agnieszka Jóźwicka: Nad jakimi projektami badawczymi obecnie Pan pracuje?
Masayuki Wada: Aktualnie pracuję nad fascynującym projektem, którego celem jest odkrycie jednej z największych tajemnic wszechświata – czegoś zwanego ciemną materią. Fizycy uważają, że ciemna materia istnieje ze względu na sposób, w jaki poruszają się gwiazdy i galaktyki. Jednak jak dotąd nikt nie był w stanie jej bezpośrednio wykryć. Jeśli uda nam się ją znaleźć, poszerzy to nasze zrozumienie wszechświata i zapoczątkuje nową erę w fizyce.
Próbujemy wykryć cząstki ciemnej materii za pomocą detektora wypełnionego ciekłym argonem. Jeśli ciemna materia uderzy w argon, ciecz rozświetli się lub zacznie scyntylować. Umieściliśmy ten detektor głęboko pod ziemią w laboratorium we Włoszech, aby uniknąć zakłóceń z innych źródeł, co pomoże nam wykryć drobne sygnały z ciemnej materii. Obecnie budujemy jeden z najbardziej czułych detektorów w historii, o nazwie DarkSide-20k. Rozpocznie on poszukiwania ciemnej materii w 2027 roku, więc bądźcie czujni!
Oprócz tego wykorzystujemy tę samą technologię z naszych badań nad ciemną materią do poprawy obrazowania medycznego. Opracowujemy nowy typ skanera pozytonowej tomografii emisyjnej (PET), który może zmniejszyć ilość promieniowania, na jakie narażeni są pacjenci i skrócić czas skanowania bez obniżania jakości obrazów.
Czy spotkał Pan jakieś szczególne wyzwania podczas pracy nad projektem DarkSide? Jak sobie z nimi poradziliście?
Tak, napotkaliśmy wiele wyzwań, od nieoczekiwanego zachowania detektorów po tajemnicze odgłosy z nieznanych źródeł i nieporozumienia między współpracownikami. Aby rozwiązać problemy eksperymentalne, zazwyczaj formułujemy kilka hipotez wyjaśniających obserwowane anomalie, a następnie projektujemy testy, które dają różne wyniki w zależności od tego, która hipoteza jest poprawna. Metoda ta pozwoliła rozwiązać większość problemów, ale w przypadkach, w których problem, taki jak nieprawidłowe działanie czujników w naszych detektorach, okazał się zbyt trudny do naprawienia, musieliśmy znaleźć sposoby na jego obejście.
W przypadku wyzwań interpersonalnych, takich jak nieporozumienia między współpracownikami, zwykle dokładnie omawiamy daną kwestię, aż wszyscy są zbyt zmęczeni, by dalej się spierać, po czym jesteśmy w stanie znaleźć rozwiązanie lub przynajmniej kompromis.
W jakich innych dziedzinach, poza medycyną, technologie opracowane podczas badań nad ciemną materią mogą mieć znaczenie?
Nasza technologia jest bardzo skuteczna w wykrywaniu małych sygnałów. Nasze czujniki są wykorzystywane w różnych dziedzinach, w tym w kontroli granicznej do wykrywania materiałów radioaktywnych, w poszukiwaniu podziemnych zasobów oraz w monitorowaniu potencjalnych testów bomb jądrowych. Ponadto, opracowane przez nas metody uczenia maszynowego i techniki obsługi danych na dużą skalę do analizy małych sygnałów eksperymentalnych są również stosowane w różnych branżach.
Jakie są Pana przewidywania dotyczące przyszłości badań nad ciemną materią? Czy sądzi Pan, że w następnej dekadzie możemy spodziewać się przełomowych odkryć?
To trudne pytanie. Obecnie mamy jedynie wskazówki, że ciemna materia może być wykrywalna za pomocą naszej obecnej technologii. Nawet jeśli poprawimy czułość naszych detektorów, nie ma gwarancji, że będziemy w stanie wykryć ciemną materię. Nie istnieją jednak żadne inne bardziej prawdopodobne alternatywy.
Pomimo niepewności, mam nadzieję, że detektor, który obecnie budujemy, doprowadzi do przełomowego odkrycia. Jeśli ciemna materia znajduje się w zasięgu tego detektora, możemy zobaczyć znaczące wyniki w ciągu najbliższych dziesięciu lat.
A jak Pana badania nad ciemną materią wpływają na Pańskie codzienne spojrzenie na świat? Czy dzięki swojej pracy inaczej postrzega Pan otaczającą nas rzeczywistość?
To nie tylko moja praca nad ciemną materią, ale ogólnie moje rozumienie fizyki kształtuje to, jak postrzegam świat. Z jednej strony świat wokół mnie wydaje się prostszy, ponieważ mogę wyjaśnić wiele zjawisk za pomocą podstawowych zasad. Uważam, że to ekscytujące, gdy złożone zjawisko można zrozumieć za pomocą prostszego wyjaśnienia. Z drugiej strony, rzeczy, które kiedyś uważałem za oczywiste, stały się bardziej intrygujące i otwarte na pytania – jak fizyka kwantowa pasuje do naszego codziennego doświadczenia rzeczywistości.
Skoro mówi Pan, że zrozumienie fizyki upraszcza zjawiska i jednocześnie otwiera nowe pytania, to jak taka perspektywa mogłaby wzbogacić podejście nauczycieli? W jakim wieku uczniowie powinni zetknąć się z takimi koncepcjami, by rozwijać ich ciekawość i sposób myślenia?
Koncepcja ciemnej materii jest niezwykle intrygująca i może być przedstawiona uczniom już w późnej szkole podstawowej. Uważam, że ważne jest, aby uczniowie zrozumieli, że wciąż jest wiele rzeczy, których nie wiemy o naszym świecie i aby zobaczyli, jak naukowcy pracują nad rozwiązaniem tych zagadek. Poznawanie nieznanych rzeczy może wzbudzić ciekawość i podekscytowanie – tak jak to było w moim przypadku, gdy byłem młodszy. To właśnie poczucie zdumienia może zmotywować uczniów do badania i odkrywania otaczającego ich świata.
Jak wyglądała Pana podróż do odkrycia swojej ścieżki zawodowej? Czy to system edukacji odegrał kluczową rolę w kształtowaniu Pana zainteresowań, czy może od najmłodszych lat czuł Pan, że fizyka to właśnie Pana powołanie? Jakie momenty na tej drodze szczególnie wpłynęły na wybór kariery, którą Pan dziś z pasją rozwija?
Swoją akademicką podróż rozpocząłem na Tokijskim Uniwersytecie Naukowym (Tokyo University of Science) w Japonii, a następnie obroniłem doktorat na Uniwersytecie Teksańskim w Austin, USA, gdzie skupiłem się na eksperymentach z zakresu fizyki jądrowej wysokich energii. Podczas studiów doktoranckich głęboko zainteresowałem się ciemną materią i wyzwaniem jej wykrycia. Po ukończeniu studiów miałem szczęście zostać wybranym na stypendystę Dicka i dołączyłem do Uniwersytetu Princeton, gdzie zacząłem pracować nad eksperymentem DarkSide. Moja pasja do zrozumienia wszechświata trzyma mnie w tej dziedzinie od tamtej pory.
Chociaż trudno powiedzieć, czy japoński lub amerykański system edukacji ukształtował moją ścieżkę kariery, moi nauczyciele i mentorzy z pewnością odegrali kluczową rolę. Zawsze miałem pasję do lepszego zrozumienia świata, ale bez ich wsparcia i zachęty mógłbym wybrać inny kierunek mojej kariery.
Czy jest jakieś szczególne odkrycie lub moment w Pana karierze, który znacząco wpłynął na Pańską decyzję o zagłębieniu się w badania nad ciemną materią?
Tak, był taki kluczowy moment podczas studiów doktoranckich na Uniwersytecie Teksańskim w Austin. Pracowałem nad eksperymentem fizyki jądrowej wysokiej energii, kiedy odkrycie bozonu Higgsa w 2012 roku wywołało fale ekscytacji wśród społeczności fizyków. Zdałem sobie sprawę, jak ekscytujące byłoby odkrycie nowej cząstki. Mniej więcej w tym samym czasie pojawiło się kilka doniesień z różnych eksperymentów sugerujących, że wykryły one pozytywne sygnały pochodzące od cząstek ciemnej materii. Chociaż sygnały te zostały później zidentyfikowane jako szum tła – pochodzący od znanych, zwykłych cząstek – był to moment, w którym postanowiłem skupić się na bezpośrednim wykrywaniu ciemnej materii. To doświadczenie ugruntowało moją pasję do badań nad ciemną materią.
A jakiej rady udzieliłby Pan nauczycielom, którzy chcą zainspirować swoich uczniów do zainteresowania się fizyką i naukami ścisłymi?
Z mojego własnego doświadczenia i obserwacji wynika, że praktyczne demonstracje praw fizycznych są najlepszym sposobem na rozbudzenie ciekawości uczniów i zmotywowanie ich do dalszej nauki. Zdaję sobie sprawę, że takie demonstracje mogą wymagać znacznych zasobów. W Stanach Zjednoczonych istnieją specjalne fundusze dostępne dla naukowców na działania informacyjne. Fundusze te pozwalają badaczom uniwersyteckim i instytucjonalnym odwiedzać lokalne szkoły podstawowe i gimnazja w celu przeprowadzenia angażujących demonstracji. Gdyby podobne fundusze były szerzej dostępne w Polsce, mogłoby to znacznie zwiększyć zainteresowanie uczniów naukami ścisłymi.
Jakie umiejętności i cechy są niezbędne dla młodych ludzi, którzy chcą rozpocząć karierę naukową?
To interesujące pytanie. Najważniejszą cechą jest niewątpliwie pasja – niemal irracjonalna pasja. Bez niej trudno jest utrzymać długoterminową karierę w badaniach naukowych. Często zadaję sobie pytanie, dlaczego nadal zajmuję się fizyką, a nie innymi dziedzinami, a jedyną odpowiedzią, jaką znajduję, jest to, że po prostu chcę wiedzieć, jak działa świat. Nie sądzę, by za tym pragnieniem kryły się jakiekolwiek racjonalne powody.
Poza pasją, krytyczne myślenie i umiejętność zadawania pytań są kluczowymi umiejętnościami w prowadzeniu badań naukowych. Inną kluczową cechą jest zdolność do dużego skupienia, do tego stopnia, że inne obawy mogą zejść na dalszy plan. Do takiego [A1] myślenia potrzeba dużo przestrzeni umysłowej, wolnej od zmartwień i czynników rozpraszających. Jeśli masz uczniów, którzy mają tendencję do głębokiego pochłaniania się zadaniem do tego stopnia, że tracą z oczu inne rzeczy, mogą mieć naturalny talent do tego typu pracy.
Jakie kontrasty widzi Pan między systemami edukacji w Japonii czy szerzej w Azji a tymi w Polsce i Europie? Czy różnice te kształtują podejście młodych ludzi do wyboru kariery i ich zdolność odnalezienia się na rynku pracy? A może w jakiś sposób definiują, jak postrzegają sukces zawodowy?
Chociaż nie doświadczyłem na własnej skórze systemu edukacji w Polsce ani w Europie, obserwowałem go podczas nauki mojej córki od 5 do 8 klasy w Polsce. Jedną z rzeczy, która rzuca się w oczy, jest to, że zadania domowe w Polsce są znacznie mniejsze niż w Japonii. Chociaż nie zawsze podobało mi się duże obciążenie pracą domową w tamtych czasach, prawdopodobnie pomogło mi to rozwinąć silne umiejętności w takich dziedzinach jak rachunek różniczkowy.
Jeśli chodzi o metody nauczania w klasie, trudno jest dokonać wyraźnego porównania, ale na podstawie tego, co słyszałem od mojej córki, wydają się one dość podobne. Jedną zauważalną różnicą jest to, że w Japonii zajęcia koncentrują się na podstawowych umiejętnościach życiowych, takich jak gotowanie i szycie. Ten szerszy zakres zajęć może mieć wpływ na wybór kariery, ponieważ uczniowie już na wczesnym etapie mają możliwość odkrywania różnorodnych zainteresowań.
Ma Pan międzynarodowe doświadczenie. Z dwóch różnych edukacyjnie światów. Jakie metody nauczania w Japonii są unikalne i nieobecne w Europie lub Polsce?
Nie jestem ekspertem w dziedzinie metod edukacyjnych, ale jednym z podejść, które było powszechne w mojej szkole podstawowej w Japonii, było wkuwanie lub nauczanie specjalnie pod testy. Nie zauważyłem tego tak często w Europie.
Takie podejście ma pewne zalety, np. pomaga uczniom stać się bardzo dobrymi w konkretnych zadaniach i rozwiązywaniu problemów, które mają jasne odpowiedzi. Są to niezbędne umiejętności, zwłaszcza w dziedzinach STEM, gdzie często wymagane jest precyzyjne rozwiązywanie problemów. Jednak rzeczywiste wyzwania są zazwyczaj bardziej złożone i nie zawsze mają jedną poprawną odpowiedź. Chociaż doceniam, że ta metoda dała mi solidne podstawy, które są przydatne dla mnie jako fizyka, to uważam, że zbytnie skupienie się na przygotowaniu do testu może być ograniczające, jeśli chodzi o radzenie sobie z bardziej złożonymi problemami.
Jakie przełomowe technologie lub innowacje, które dziś pojawiają się na horyzoncie, mogą Pana zdaniem na nowo zdefiniować przyszłość nauki – zwłaszcza w dziedzinie fizyki? Czy widzi Pan narzędzia lub odkrycia, które już teraz otwierają drzwi do zupełnie nowych pytań i możliwości?
Ostatnie postępy w AI, zwłaszcza w dużych modelach językowych, jak LLM, są naprawdę imponujące. Zmieniły one moje rozumienie ludzkiej inteligencji, uświadamiając mi, że wiele z naszych własnych procesów myślowych może być podobnych – reakcji opartych na zgromadzonym doświadczeniu.
Jednak, jeśli chodzi o przyszłość nauki, zwłaszcza fizyki, uważam, że samo ekstrapolowanie tego, co już wiemy, nie wystarczy, aby iść naprzód. Ostatecznie nadal potrzebujemy nowych obserwacji i eksperymentów, aby zweryfikować wszystko, co sugeruje sztuczna inteligencja. Chociaż sztuczna inteligencja niewątpliwie odegra kluczową rolę w pomaganiu nam w projektowaniu i udoskonalaniu tych eksperymentów, nie możemy polegać wyłącznie na niej. Na tę perspektywę może mieć wpływ moje doświadczenie jako fizyka eksperymentalnego, ale uważam, że utrzymanie tej równowagi jest niezbędne.
Dziękuję za poświęcony czas i rozmowę.
Rozmawiała: Agnieszka Jóźwicka
