Ловец призраков. Нобелевку по физике дали за поиски нейтрино в Антарктиде

Шведская королевская академия наук объявила лауреата Нобелевской премии по физике 2026 года. Им стал Фрэнсис Хальцен из Университета Висконсин-Мэдисон (США).

Как сказано в сообщении Нобелевского комитета, премия присуждена «за решающий вклад в создание нейтринной обсерватории IceCube и открытие высокоэнергичных нейтрино астрофизического происхождения».

Частица, которая проходит сквозь всё

Нейтрино — самая «скромная» частица во Вселенной. У неё нет электрического заряда и почти нет массы. Она проходит сквозь материю (сквозь Землю, наши тела) незаметно. К слову, каждую секунду через ваш ноготь на мизинце пролетает 65 миллиардов нейтрино от Солнца.

Но есть и другие нейтрино — из далёкого космоса. Они несут информацию о самых экстремальных процессах во Вселенной — о взрывах звёзд, об активных галактиках, о том, что скрыто за облаками пыли. Проблема в том, что поймать их почти невозможно. Лишь изредка нейтрино сталкивается с ядром, и тогда рождается вспышка синего света.

В 1980-х годах физик Фрэнсис Хальцен, выросший в Бельгии и затем переехавший в США, услышал, что советские исследователи планируют использовать радиоприёмники для регистрации нейтринных сигналов в Антарктиде. Идея была такой: при столкновении нейтрино с атомным ядром во льду возникает электрическая искра, которая производит радиоволну. Так почему бы не попытаться её уловить с помощью радиоантенны?

Хальцен вдохновился этой идеей, но предложил регистрировать не радиоволны, а свет. При использовании соответствующего оборудования можно определить его направление и понять, откуда взялось нейтрино. Но чтобы увидеть свидетельства многочисленных столкновений этих частиц, нужен огромный объём прозрачного материала. Вода для этого не очень подходит — мешают живые организмы. А вот антарктический лёд — идеален. В его глубине постоянная темнота, там нет землетрясений, нет жизни.

Фрэнсис Хальцен связался с коллегой Джоном Лернедом, который работал над детектором DUMAND — аналогичным проектом по улавливанию нейтрино в океанских водах у Гавайев. Вместе они обсудили возможности создания нейтринной обсерватории в Антарктиде и сопутствующие проблемы.

В 1988 году учёные впервые представили концепцию такой установки.

IceCube: кубический километр льда

Для начала нужно было решить практические проблемы. Научная группа провела испытания, погрузив датчики в лёд Гренландии. Затем стали строить нейтринную обсерваторию на Южном полюсе. Первые попытки оказались неутешительными. Верхняя часть льда была заполнена пузырьками, которые рассеивали свет и размывали информацию о движении частиц.

Но на глубине более 1400 метров лёд оказался чрезвычайно чистым и прозрачным. Там вспышки света от нейтрино могли распространяться на 300 метров, прежде чем поглощались, — намного дальше, чем кто-либо ожидал. Одним из побочных результатов проекта стало то, что исследователи многое узнали о свойствах льда на разных глубинах.

Строительство этой обсерватории (её назвали AMANDA) продолжалось до января 2000 года. Всё работало как надо, но аппарат был не совсем готов к задаче обнаружения богатых энергией нейтрино от космических ускорителей частиц. Требовался больший объём прозрачного материала.

Так началась работа над IceCube — кубическим километром льда, оснащённым светочувствительными датчиками. Обсерватория достигла полных размеров в 2011 году, имея 5160 датчиков света, распределённых по 86 кабелям, опущенным на глубину до 2450 метров.

Каждый день через этот детектор пролетают более ста миллионов частиц, рождённых космическими лучами в атмосфере Земли. Их нужно отфильтровать. Космические лучи также создают нейтрино в атмосфере, и несколько сотен из них ежедневно достигают IceCube, пройдя сквозь Землю из Северного полушария.

В 2013 году команда сообщила о первых доказательствах того, что они действительно обнаружили космические нейтрино. А несколько лет спустя, собрав достаточно данных, они смогли с уверенностью говорить о своём открытии.

Что это даёт

Нейтрино — это новый тип астрономии. В отличие от протонов, которые отклоняются магнитными полями, и гамма-лучей, которые поглощаются пылью, нейтрино летят прямо и ничего по пути не теряют. Они могут показать учёным то, что не улавливают другие научные инструменты.

Уже сейчас IceCube обнаружил 79 нейтрино, которые, вероятно, пришли со стороны активной галактики NGC 1068 (также известной как M77). Однако этих данных недостаточно, чтобы однозначно идентифицировать её как источник нейтрино — чем больше частиц будет захвачено, тем выше вероятность.

В последние годы исследователи также смогли наблюдать высокоэнергетические нейтрино из нашей собственной Галактики, Млечного Пути. Они предполагают, что эти нейтрино возникают при столкновении космического излучения с атомами в разреженном газе между звёздами.

Обсерватория IceCube продолжает регистрировать нейтрино. А на Южном полюсе уже планируют установку IceCube-Gen2 — восемь кубических километров льда, оснащённых ещё большим количеством датчиков. Параллельно строятся нейтринные телескопы в России на Байкале, в Средиземном море, Южно-Китайском море и у западного побережья Канады.

«Фрэнсис Хальцен возглавил международную команду исследователей и инженеров, которые предоставили нам фантастический инструмент. Его настойчивость и научное видение проложили путь для нового типа астрономии», — сказал Марк Пирс, председатель Нобелевского комитета по физике.