Из Антарктиды виднее Вселенная: нобелевскую премию по физике дали за «ледяной телескоп» для охоты за нейтрино

Нобелевскую премию по физике 2026 года получил бельгийско-американский физик Фрэнсис Халцен из Висконсинского университета в Мэдисоне. Награду ему присудили за решающий вклад в создание нейтринной обсерватории IceCube и открытие нейтрино высоких энергий астрофизического происхождения. Проще говоря, ученые научились с помощью огромного куска антарктического льда ловить частицы, которые прилетают к нам из самых энергичных и загадочных областей Вселенной.

Частицы, которые проходят сквозь Землю

Нейтрино часто называют призрачными частицами, и для этого есть веская причина. У них нет электрического заряда, масса чрезвычайно мала, а с обычным веществом они взаимодействуют настолько редко, что способны практически беспрепятственно проходить сквозь него.

Прямо сейчас через каждый квадратный сантиметр нашего тела пролетают миллиарды нейтрино. Только от Солнца через ноготь человека каждую секунду проходят примерно 65 млрд таких частиц.

Большинство из них мы никогда не заметим. Они пролетят через человека, дом и Землю, даже не вступив во взаимодействие с атомами.

Но иногда нейтрино все-таки сталкивается с атомным ядром. И тогда его появление можно обнаружить. Именно на этом принципе работает IceCube.

Как превратить лед в телескоп

Представим огромный прозрачный куб льда глубоко под поверхностью Антарктиды. Внутри него размещены тысячи чувствительных световых датчиков. Объем куба — около 1 км³.

Когда нейтрино сталкивается с атомом во льду, в результате взаимодействия может возникнуть заряженная частица. Она движется через лед и вызывает короткую вспышку голубого света. Ее замечают датчики IceCube, а по тому, где и когда зарегистрированы вспышки, ученые восстанавливают направление и энергию частицы.

Получается довольно странный телескоп. У него нет привычной трубы, зеркала или линзы. Вместо них — антарктический лед толщиной в несколько километров и 5160 световых датчиков, расположенных на 86 вертикальных кабелях.

Датчики находятся на глубине примерно от 1450 до 2450 метров. Там лед оказался особенно чистым и прозрачным: вспышка света может пройти сотни метров, прежде чем поглотится.

То есть Халцен фактически предложил использовать саму Землю как детектор частиц.

Зачем ученые охотятся за нейтрино

Во Вселенной существуют естественные ускорители частиц, способные разгонять их до энергий, во много раз превосходящих возможности созданных человеком ускорителей. В самых экстремальных космических объектах частицы могут получать энергию до уровней, примерно в миллион раз превышающих те, что доступны земным ускорителям.

Физики хотят понять, где именно находятся эти гигантские космические ускорители и как они работают.

С обычными частицами здесь есть проблема. Например, космические лучи состоят в основном из заряженных частиц. На пути к Земле их траектории меняют магнитные поля, поэтому по направлению прилета невозможно надежно определить, откуда они первоначально прибыли.

С нейтрино все иначе. Они электрически нейтральны, поэтому магнитные поля не отклоняют их. Кроме того, нейтрино гораздо легче проходят через вещество и излучение, не теряя информацию о своем происхождении.

Это делает их своеобразными космическими посланниками: если удается поймать нейтрино и определить направление, можно попытаться посмотреть, из какого далекого объекта оно прилетело.

Идея появилась задолго до IceCube

Халцен впервые представил идею нейтринной обсерватории на Южном полюсе еще в 1988 году. Такая странная география объясняется просто: там уже была научная станция, а глубоко под поверхностью — гигантский массив стабильного льда.

Правда, сначала было непонятно, получится ли вообще построить такой детектор. Первые практические попытки начались в 1990-х. В лед постепенно опускали оптические модули, проверяя, насколько хорошо они работают и как распространяется свет.

Это был еще не гигантский IceCube, а лишь один из первых шагов к нему. Но от таких маленьких технических экспериментов зависело, получится ли вообще превратить ледяную толщу под Южным полюсом в телескоп.

Первой крупной версией проекта стала AMANDA. Она позволила понять, что идея действительно работает, но объема детектора оказалось недостаточно для надежной охоты за космическими нейтрино высоких энергий.

Тогда ученые пошли на масштабирование безумного уровня.

Кубический километр льда

Полностью IceCube завершили в 2011 году. В глубине антарктического льда разместили 5160 световых датчиков. Вместе они контролируют пространство объемом в кубокилометр.

При этом ученым приходится отделять крайне редкие космические события от огромного количества земного «шума». Каждый день IceCube регистрирует более 100 млн частиц, связанных с атмосферными процессами. Большинство из них никакого отношения к далеким астрофизическим источникам не имеет. Поэтому задача напоминает поиск важного письма в почтовом ящике, куда ежедневно падают миллионы рассылок со спамом.

В 2013 году команда IceCube сообщила о первых убедительных свидетельствах существования нейтрино космического происхождения. Исследователи обнаружили 28 событий, которые нельзя было объяснить только частицами атмосферного происхождения.

Мы начинаем видеть Вселенную по-новому

Теперь IceCube помогает искать места, где рождаются самые энергичные частицы во Вселенной.

Одним из потенциальных источников стала галактика NGC 1068, расположенная примерно в 47 млн световых лет от Земли. Из ее направления детектор зарегистрировал десятки нейтрино. Пока этого недостаточно, чтобы окончательно объявить галактику подтвержденным источником нейтринного излучения, но такие наблюдения позволяют постепенно составлять карту космических ускорителей.

Ученые также наблюдают высокоэнергичные нейтрино, связанные с Млечным Путем. Они могут возникать, когда космические лучи сталкиваются с газом, который находится между звездами.

И это только начало. Новые нейтринные телескопы строят или планируют в других частях мира. В отличие от IceCube, они могут использовать не лед, а большие объемы воды, в том числе в озере Байкал, Средиземном море и других водоемах. Для самого IceCube уже планируется следующее поколение детектора, IceCube-Gen2, объем которого должен достигнуть примерно 8 км³.

Кто такой Фрэнсис Халцен

Фрэнсис Халцен родился в 1944 году в бельгийском городе Тинен. В 1969 году он получил докторскую степень в Католическом университете Левена, а затем переехал в США. Большую часть своей научной карьеры Халцен провел в Висконсинском университете в Мэдисоне.

Его главная идея заключалась не в том, чтобы построить еще один ускоритель частиц. Напротив, он предложил искать природные ускорители, которые уже работают где-то во Вселенной, и использовать для их изучения нейтрино. А для этого потребовалось превратить ледяную пустыню на краю планеты в гигантский научный прибор.

И теперь мы можем смотреть на Вселенную не только с помощью света. Мы научились улавливать частицы, которые родились в самых энергичных космических процессах, прошли через межзвездное пространство, Землю и километры антарктического льда, прежде чем оставить нам улику в виде крошечной вспышки.