Бельгийский физик Фрэнсис Халцен удостоен Нобелевской премии по физике 2026 года за грандиозную идею — использовать толщу льда на Южном полюсе как масштабный детектор редчайших частиц во Вселенной. Реализация проекта IceCube открыла новую эру в астрономии и позволила ученым наблюдать процессы в крайних пределах видимого космоса. Как физики регистрируют неуловимые нейтрино,, где на планете расположены крупнейшие установки, какую галактику уже удалось детально изучить и какой вклад IceCube внес в понимание устройства Вселенной, «Науке» рассказал доцент кафедры астрономии и космической геодезии Института физики КФУ Ильхам Галиуллин.
Нейтрино — это элементарные частицы. Они не имеют электрического заряда и обладают крайне малой массой. Нейтрино настолько слабо взаимодействуют с веществом, что способны пролететь сквозь всю Землю, не оставив заметного следа. Каждую секунду через человеческое тело проходят миллиарды таких частиц, рожденных в недрах Солнца, но мы этого абсолютно не замечаем. Нейтрино являются одними из самых неуловимых частиц во Вселенной. Их регистрация требует огромных детекторов и использования различных физических принципов.
Крупнейшие черенковские детекторы
За последние 30 лет в этой области был реализован целый ряд крупных международных проектов, от подземных обсерваторий до гигантских телескопов в глубинах океанов и льдов. Все методы основаны на регистрации слабых взаимодействий нейтрино с веществом детектора. Наиболее распространенным типом детекторов для больших объемов являются так называемые черенковские детекторы.
Нейтрино, взаимодействуя с веществом (обычно водой или льдом), рождает заряженную частицу (например, электрон или мюон), которая движется быстрее скорости света в этой среде. Это вызывает черенковское излучение, которое регистрируется тысячами фотоумножителей.
Этот метод используется в таких гигантских установках, как Super-Kamiokande (Япония, с 1996 года), IceCube (Южный полюс, с 2011 года) и Байкальский нейтринный телескоп (Россия, с 1993).
На установке Super-Kamiokande, которая представляется собой гигантский водный черенковский детектор, в 1998 году были получены первые убедительные доказательства нейтринных осцилляций, и было обнаружено, что нейтрино имеют массу. Байкальский нейтринный телескоп является первым в мире глубоководным нейтринным телескопом. В настоящее время это черенковский детектор масштаба кубического километра, который постоянно расширяется и уже является крупнейшим в Северном полушарии.
Нобелевский прорыв
Нобелевская премия по физике этого года присуждена ученому Фрэнсису Хальзену «за решающий вклад в создание нейтринной обсерватории IceCube и открытие высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения». Это достижение заложило основы нейтринной астрономии — принципиально нового способа изучения Вселенной, при котором ученые детектируют не только электромагнитное излучение или гравитационные волны, но и потоки почти неуловимых частиц.
Фрэнсис Хальзен предложил использовать колоссальную толщу антарктического льда как природный детектор нейтрино. На Южном полюсе, на глубине от полутора до двух с половиной километров, была развернута сеть из тысяч сенсоров, охватывающая кубический километр льда. Этот лед исключительно прозрачен, свободен от помех от радиоактивного фона и геологически стабилен.
Благодаря IceCube впервые были зарегистрированы нейтрино сверхвысоких энергий, приходящие из далекого космоса. Их свойства доказали, что во Вселенной существуют природные ускорители, разгоняющие частицы до энергий, недостижимых на данный момент на земных коллайдерах.
Фрэнсис Хальзен стал главным научным локомотивом проекта: он разработал концепцию, убедил международное сообщество в ее осуществимости и координировал работу от первых пробных погружений сенсоров до вывода обсерватории на полную мощность.
Галактические источники
В целом нейтринная астрономия и результаты работы IceCube открывают принципиально новый канал информации о Вселенной. В отличие от фотонов, нейтрино не поглощаются и не рассеиваются межзвездной пылью и газом. Это позволяет ученым напрямую проследить путь частицы обратно до ее источника. Среди космических объектов, связываемых с высокоэнергетическими нейтрино, сегодня выделяется активная галактика NGC 1068 (известная также как M77). Она скрывает в себе сверхмассивную черную дыру, окруженную плотным газопылевым диском.
Данные IceCube фиксируют нейтринные события, направления на которые совпадают с ее положением на небе. Другой фундаментальный результат — это регистрация нейтринного излучения нашей собственной Галактики, Млечного Пути. Ожидается, что оно возникает при столкновениях космических лучей с атомами межзвездной среды. В число других возможных ускорителей входят области интенсивного звездообразования, взрывы сверхновых и слияния компактных объектов.
Перспективы нейтринной астрономии
В ближайшие годы можно ожидать новые открытия в нейтринной астрономии. Помимо уже работающих нейтринных телескопов — уже упоминавшегося отечественного Байкальского телескопа, а также телескопа KM3NeT в Средиземном море, в Северном полушарии проектируются водные нейтринные телескопы в Южно-Китайском море и у побережья Канады. В то же время сам IceCube готовится к масштабному расширению — IceCube-Gen2, которое увеличит рабочий объем ледяного детектора в несколько раз. Результаты работы Фрэнсиса Хальзена и его коллег закладывают прочный фундамент для нейтринной астрономии и имеют фундаментальное значение не только для физики и астрономии, но и для науки в целом.