Загадочные частицы из космоса принесли Нобелевскую премию по физике
Нобелевскую премию по физике за 2026 год получил Френсис Хальцен из США. Награда присуждена за ключевой вклад в появление обсерватории IceCube и обнаружение астрофизических нейтрино с высокой энергией. Благодаря ученому кубический километр антарктического льда превратился в инструмент, который регистрирует почти невидимые частицы из глубин Вселенной. Нейтрино не имеют электрического заряда и очень малой массы, поэтому почти не взаимодействуют с материей: каждую секунду сквозь каждый квадратный сантиметр тела пролетают десятки миллиардов таких частиц от Солнца, не причиняя вреда. Об этом сообщает портал Forbes.
Рождаются нейтрино в центре Солнца, в ядерных реакторах, при распаде радиоактивных элементов в недрах Земли, при столкновениях космических лучей с атмосферой и при взрывах сверхновых. Фотон из солнечного центра добирается до поверхности примерно за миллион лет и за это время меняется. Нейтрино преодолевает тот же путь мгновенно и без изменений, поэтому становится уникальным носителем информации. Впервые эти частицы зафиксировали в 1956 году Клайд Коуэн и Фредерик Райнес, а Райнес получил Нобелевскую премию в 1995 году; Коуэн до награждения не дожил, а за солнечные и сверхновые нейтрино премию 2002 года получил Рэймонд Дэвис-младший, вместе с ним наградили Масатоси Косибу.
Астрофизики давно предполагали, что в глубоком космосе возникают нейтрино с энергией в миллионы и миллиарды раз выше солнечной — до тераэлектронвольт и петаэлектронвольт; ускоряют их природные механизмы, например сверхмассивные черные дыры в центрах галактик. Там вещество превращается в плазму, а мощные электрические и магнитные поля разгоняют частицы и сталкивают их, порождая новые частицы, включая нейтрино. Для регистрации нужна прозрачная среда с датчиками: вылетающие заряженные частицы создают черенковское излучение, если движутся быстрее света в воде или льду. Первым телескопом, поймавшим космическое нейтрино, стал российский НТ-200 на Байкале: стройка началась в 1993 году, первые частицы пришли через год, а полный запуск состоялся в 1998-м.
Хальцен отстаивал идею использовать лед: он твердый, по нему удобно передвигаться, а антарктический лед на глубине прозрачнее байкальской воды, хотя и сильнее рассеивает свет. В 1993 году на станции «Амундсен — Скотт» у Южного полюса начали строить детектор AMANDA; ученый входил в руководство проекта и был его главной движущей силой. Телескоп достроили в 2000 году, он проработал до 2009-го и поймал нейтрино энергией до нескольких ТэВ, вероятно атмосферного происхождения, но космические частицы не обнаружил. Зато AMANDA доказала работоспособность ледяной технологии, и в 2004 году стартовало строительство IceCube: более 5000 оптических датчиков разместили в кубическом километре льда на глубине от 1450 до 2450 метров.
Скважины для IceCube бурили горячей водой под высоким давлением, объект завершили в 2011 году; датчики фиксируют редкие взаимодействия нейтрино с ядрами, а рожденные частицы дают черенковское излучение. Обработка данных за 2011–2013 годы выявила две частицы, чья энергия достигала порядка петаэлектронвольта, позже ученые доказали их космическое происхождение. Так впервые надежно зафиксировали астрофизические нейтрино с энергией в несколько ПэВ; рекорд обсерватории — частица около 11 ПэВ, обнаруженная в 2019 году. Даже кубический километр льда улавливает такие события в лучшем случае десятками за год, но обсуждается расширение IceCube до восьми кубических километров, а российский Baikal-GVD, наследник НТ-200, продолжают достраивать; еще несколько детекторов создают в морских водах.
