Нобелевку по физике 2026 года получил телескоп, вмороженный на 2 км в лёд Южного полюса

Самые мощные ускорители частиц во Вселенной находятся не на Земле, и десятилетиями никто не мог сказать, где они. Фрэнсис Халзен (Francis Halzen) отправился искать их в кубическом километре льда под Южным полюсом, опутанном тысячами световых датчиков, чтобы поймать самые неуловимые частицы в физике. Шведская королевская академия наук только что присудила ему Нобелевскую премию по физике за этот детектор и за то, что он обнаружил, и ему не придётся ни с кем её делить.

Детектор называется IceCube, и он зарегистрировал первые нейтрино высоких энергий, которые, как известно, приходят из-за пределов Солнечной системы. Нейтрино не имеют электрического заряда и почти не имеют массы, и около 65 миллиардов из них от Солнца каждую секунду проходят через ваш ноготь, не задевая ни одного атома. Поскольку они летят по прямым линиям и проходят сквозь пыль, газ и магнитные поля, редкие космические нейтрино указывают на те бурные места, где они родились. Это делает их новым видом телескопа, способным заглядывать в области, которые свет покинуть не может.

Халзен, физик бельгийского происхождения из Висконсинского университета в Мадисоне, был отмечен «за решающий вклад в нейтринную обсерваторию IceCube и открытие нейтрино высоких энергий астрофизического происхождения». Он стал первым за 34 года лауреатом, получившим премию по физике в одиночку, и забирает все 12 миллионов шведских крон. «Фрэнсис Халзен возглавил международную команду исследователей и инженеров, которые подарили нам фантастический инструмент. Его упорство и научное видение проложили путь к новому виду астрономии», — сказал Марк Пирс (Mark Pearce), председатель Нобелевского комитета по физике.

Зачем нужен ледник, чтобы найти космический ускоритель

Космическое пространство пронизано космическими лучами, в основном голыми протонами, и некоторые из них приходят с энергиями, в миллион раз превышающими то, что может достичь любая лаборатория на Земле. Что-то там, в космосе, ускоряет их — возможно, взрывающиеся звёзды или джеты сверхмассивных чёрных дыр. Протоны не могут указать на виновника, потому что магнитные поля искривляют их пути по дороге сюда, так что к моменту попадания в нашу атмосферу их направление уже ничего не значит.

Те же процессы, которые ускоряют протоны, должны порождать и нейтрино, и магнитные поля их не отклоняют. Загвоздка в том, что нейтрино почти никогда ни с чем не взаимодействуют. В редком случае, когда одно из них попадает в атомное ядро, оно порождает заряженную частицу, которая проносится сквозь вещество и испускает слабое голубое свечение. В прозрачной среде датчики могут зарегистрировать эту вспышку и восстановить, откуда пришло нейтрино. Космические нейтрино настолько редки, что нужен огромный прозрачный объём, чтобы поймать хотя бы несколько.

Идея Халзена заключалась в том, что антарктический ледяной щит уже был таким объёмом. На большой глубине там постоянно темно, нет живых организмов, мешающих океанским детекторам, низкая радиоактивность и геологическая стабильность, без землетрясений.

Как это было сделано

План казался невыполнимым. Командам пришлось плавить скважины глубиной более километра с помощью бура с горячей водой, работающего как сложная насадка для душа, а затем опускать в воду тросы с нанизанными световыми датчиками до того, как она снова замёрзнет. Халзен описывает каждый датчик как лампочку наоборот: он принимает свет и превращает его в электрический сигнал. Все строительство должно было уложиться в короткое антарктическое лето с ноября по февраль.

Первая попытка — меньшая решётка под названием AMANDA — едва не похоронила идею. На глубине, где установили первые датчики, лёд был полон крошечных пузырьков воздуха, рассеивающих свет во все стороны, так что вспышка теряла направление уже через полметра. Глубже картина полностью изменилась. Ниже примерно 1400 метров лёд оказался настолько прозрачным, что свет от нейтринного столкновения мог распространяться на 300 метров — гораздо дальше, чем кто-либо ожидал.

IceCube использовал этот урок в большем масштабе. Его 86 тросов висят на глубине от 1450 до 2450 метров под поверхностью, на расстоянии 125 метров друг от друга, каждый несёт 60 датчиков с интервалом 17 метров — всего 5160 датчиков. Кубический километр оснащённого льда весит около миллиарда тонн. Обсерваторией управляет Национальный научный фонд США, а руководит коллаборация из примерно 450 человек из 58 учреждений в 14 странах.

Вспышки, которые всё доказали

Большая часть того, что видит IceCube, — это шум. Более 100 миллионов мюонов, порождённых космическими лучами в воздухе над Антарктидой, каждый день достигают датчиков, а несколько сотен нейтрино, образовавшихся в атмосфере на другой стороне планеты, приходят, пересекая всю Землю. Чтобы выделить космический сигнал, команда использует внешний слой детектора как защитный экран и оставляет только те нейтрино, которые включаются внутри ядра, вдали от краёв.

Первые два убедительных события обнаружились случайно, во время поиска ещё более энергичных частиц. Каждое из них выделило около одного петаэлектронвольта — тысяча триллионов электронвольт, более чем в сто раз больше энергии, которую Большой адронный коллайдер придаёт каждому своему протону. Эти два события привели команду к 28 нейтрино высоких энергий в тех же двух годах данных, а более крупная выборка позже исключила атмосферное происхождение с статистической уверенностью 5,7 сигма — выше планки в 5 сигма, которую физики используют для заявления об открытии.

Скачок по сравнению с более ранней нейтринной астрономией огромен. Нейтрино, которые принесли Нобелевскую премию по физике Рэймонду Дэвису-младшему (Raymond Davis Jr) и Масатоси Косибе (Masatoshi Koshiba), пришли от Солнца и от сверхновой на расстоянии 160 000 световых лет, с энергиями примерно в миллиард раз ниже. Самое энергичное нейтрино IceCube на сегодняшний день несло, по оценкам, 11,4 петаэлектронвольта.

Что премия не решает

IceCube доказал, что существует устойчивый поток космических нейтрино, но не показал, откуда берётся большинство из них. Лучшие кандидаты остаются кандидатами. Одно нейтрино пришло с направления вспыхивающего блазара TXS 0506+056 — галактики, чёрная дыра которой направляет джет к Земле, — и поиск в более старых данных обнаружил более раннюю вспышку из той же точки с уровнем 3,5 сигма, что далеко от порога открытия.

Самым сильным одиночным источником на сегодня является активная галактика NGC 1068, также известная как M77, на расстоянии 46 миллионов световых лет в созвездии Кита. IceCube насчитал 79 нейтрино с её направления с уровнем 4,2 сигма. В собственном справочном тексте Нобелевского комитета говорится, что доказательства пока недостаточно надёжны, чтобы считать NGC 1068 подтверждённым источником.

Есть также вопрос о заслугах. IceCube — работа сотен учёных и инженеров, а Нобелевская премия по физике может присуждаться только отдельным лицам. Комитет выделил Халзена как человека, который придумал концепцию, спроектировал её и руководил ею в качестве главного исследователя на этапах строительства и эксплуатации.

Часто задаваемые вопросы о Нобелевской премии по физике 2026 года

Кто получил Нобелевскую премию по физике 2026 года?

Фрэнсис Халзен из Висконсинского университета в Мадисоне получил её в одиночку за решающую роль в создании нейтринной обсерватории IceCube и за открытие нейтрино высоких энергий из космоса. Он родился в Тинене, Бельгия, и получает полные 12 миллионов шведских крон.

Что такое нейтрино?

Нейтрино — это субатомная частица без электрического заряда и почти без массы. Она настолько слабо взаимодействует с веществом, что миллиарды их каждую секунду незаметно проходят через ваше тело.

Как IceCube обнаруживает нейтрино?

Когда нейтрино попадает в атомное ядро во льду, оно создаёт заряженную частицу, которая, двигаясь, испускает слабое голубое свечение. Более 5000 датчиков, погружённых на глубину от 1450 до 2450 метров, регистрируют вспышку, и рисунок света показывает энергию и направление частицы.

Зачем строить нейтринный телескоп на Южном полюсе?

Глубокий антарктический лёд чрезвычайно прозрачен, постоянно тёмен, свободен от живых организмов и геологически стабилен. Существующая станция Амундсен-Скотт на Южном полюсе также обеспечила логистику, энергию и персонал, необходимые для бурения скважин и строительства детектора размером в километр.

Откуда берутся космические нейтрино?

Пока никто не знает наверняка. IceCube видел нейтрино из плоскости нашего Млечного Пути и указал на активную галактику NGC 1068 и блазар TXS 0506+056 как вероятные источники, но ни один из них не объясняет большую часть потока.

Когда это произошло и что дальше

Халзен и его коллега Джон Г. Лернд (John G. Learned) впервые представили концепцию Южного полюса на конференции в Польше в 1988 году. Халзен вспоминает, как ждал в канун Рождества 1993 года, с компьютером на коленях, известия о том, что первый кабель AMANDA оказался во льду. Национальный научный фонд США одобрил финансирование IceCube в 2002 году, детектор был завершён в 2011 году, а первые свидетельства космических нейтрино были опубликованы в 2013 году. Нейтрино высоких энергий из Млечного Пути последовали в 2023 году.

Преемники уже обретают форму: KM3NeT в Средиземном море, Baikal-GVD на озере Байкал, P-ONE у острова Ванкувер и TRIDENT в Южно-Китайском море. На Южном полюсе началось планирование IceCube-Gen2, который охватит около восьми кубических километров льда. Халзен получит свою медаль в Стокгольме 10 декабря.

Ссылка: IceCube Collaboration, «Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector,» Science, 2013. DOI: 10.1126/science.1242856

Теги: астрономия, Нобелевская премия, IceCube, Francis Halzen, нейтрино, физика