«Апостериори»: Нобелевскую премию по физике присудили за открытие нейтрино высоких энергий из далёкого космоса
Новости науки и технологий
Поддержите «Эхо», если вы не в России
Нобелевскую премию по физике 2026 года получил Фрэнсис Халзен из Университета Висконсина в Мэдисоне. Нобелевский комитет отметил его вклад в создание нейтринной обсерватории IceCube и открытие нейтрино высоких энергий астрофизического происхождения.
Нейтрино – это элементарные частицы, не обладающие электрическим зарядом и имеющие чрезвычайно малую массу. Они очень слабо взаимодействуют с веществом. Например, каждую секунду через один квадратный сантиметр поверхности Земли проходят десятки миллиардов нейтрино, образовавшихся внутри Солнца, однако подавляющее большинство из них проходит сквозь планету, не взаимодействуя по пути с веществом.
Источником большинства нейтрино, достигающих Земли из космоса, является Солнце, где эти частицы возникают в результате термоядерных реакций. Однако источниками нейтрино могут быть и куда более удалённые объекты. Из-за слабого взаимодействия с веществом нейтрино способны преодолевать огромные расстояния практически беспрепятственно. У них также нет электрического заряда, поэтому магнитные поля не меняют их траекторию. Таким образом, направление движения нейтрино может указывать на место его возникновения. Благодаря этим свойствам нейтрино можно использовать как новый источник информации о далёком космосе.
Проблема заключается в том, что по той же причине нейтрино чрезвычайно сложно обнаружить. Чтобы зарегистрировать хотя бы небольшое количество космических нейтрино, необходим детектор огромного размера.
В 1988 году Фрэнсис Халзен вместе с физиком Джоном Лёрнедом предложил использовать для этого антарктический лёд. Если нейтрино всё же сталкивается с атомным ядром, в результате взаимодействия могут возникнуть заряженные частицы. Двигаясь через прозрачный лёд быстрее скорости света в этой среде, заряженные частицы испускают так называемое черенковское излучение. По расположению и времени регистрации света можно восстановить направление движения частицы и приблизительно определить энергию исходного нейтрино.
Предшественником IceCube стала экспериментальная установка AMANDA. Исследователи опускали световые датчики в скважины глубиной более километра, пробуренные в антарктическом леднике горячей водой. Первые результаты оказались не слишком удачными: в верхних слоях льда находилось множество пузырьков воздуха, которые рассеивали свет. Но глубже примерно 1400 метров исследователи обнаружили исключительно чистый и прозрачный лёд. Это показало, что такой метод действительно можно использовать для регистрации нейтрино.
На основе этого эксперимента была построена обсерватория IceCube. В толще льда на глубине от полутора до двух с половиной километров разместили 5160 световых датчиков. Общий объём детектора составляет около одного кубического километра. Строительство завершилось в 2010 году, а в 2011 году IceCube начал работать в полном объёме.
Главной задачей было отличить редкие нейтрино из далёкого космоса от фоновых сигналов. Космические лучи постоянно сталкиваются с атомами земной атмосферы, порождая множество вторичных частиц, в том числе нейтрино. Поэтому регистрация отдельного нейтрино сама по себе ещё не означает, что оно прилетело из далёкого космоса.
В 2013 году исследователи сообщили о регистрации 28 нейтрино чрезвычайно высоких энергий, наблюдение которых нельзя было объяснить только процессами в земной атмосфере. Это стало первым убедительным свидетельством обнаружения потока нейтрино высоких энергий из астрофизических источников таким методом. Последующие наблюдения подтвердили этот результат.
Следующей задачей стало выяснить, откуда именно прилетают эти частицы.
В сентябре 2017 года IceCube зарегистрировал нейтрино с энергией около 290 тераэлектронвольт и автоматически сообщил направление его движения другим обсерваториям. В той же области неба телескопы обнаружили вспышку блазара TXS 0506+056, расположенного в нескольких миллиардах световых лет от Земли. Блазары – это активные ядра галактик со сверхмассивной чёрной дырой в центре, один из потоков вещества и излучения которых направлен примерно в сторону Земли. Последующий анализ архивных данных IceCube обнаружил ещё более десятка нейтрино, пришедших с этого направления в 2014–2015 годах. Это позволило впервые связать конкретный вероятный космический источник с потоком нейтрино высоких энергий.
Открытие астрофизических нейтрино высоких энергий стало началом нового этапа нейтринной астрономии. До этого большая часть информации о далёкой Вселенной поступала с помощью электромагнитного излучения – от радиоволн до гамма-лучей. Теперь одни и те же космические процессы можно исследовать с помощью разных источников информации – электромагнитного излучения, гравитационных волн и нейтрино. Такой подход называют многоканальной астрономией.
При этом происхождение большей части нейтрино высоких энергий пока остаётся неизвестным. IceCube обнаружил несколько возможных источников, в том числе активную галактику NGC 1068, а также зарегистрировал высокоэнергетические нейтрино из нашей собственной Галактики. Но имеющихся данных пока недостаточно, чтобы составить полную картину происхождения космических лучей.
В дальнейшем чувствительность таких наблюдений должна значительно увеличиться. Планируемая обсерватория IceCube-Gen2 будет использовать уже около восьми кубических километров антарктического льда.
Нобелевская премия этого года отмечает не только обнаружение нового типа космических частиц. Работы Фрэнсиса Халзена фактически открыли новый способ наблюдения Вселенной. В ближайшие годы это может помочь установить, какие именно процессы в космосе способны разгонять частицы до энергий, недостижимых для современных земных ускорителей.