Нобелевская премия по физике присуждена за открытие «призрачных посланников» из космоса

Нобелевская премия по физике 2026 года присуждена работающему в США исследователю Фрэнсису Хальцену за открытие высокоэнергетических нейтрино из космоса.

Нобелевский комитет заявил, что Хальцен внёс «решающий вклад» в открытие «нейтрино астрофизического происхождения» с помощью эксперимента IceCube, установленного во льду на Южном полюсе.

Эллен Мунс, генеральный секретарь Шведской королевской академии наук, назвала эти нейтрино «призрачными посланниками». Это отсылка к тому факту, что частицы почти не имеют массы и проходят сквозь твёрдые объекты, почти не взаимодействуя с ними. Фактически каждую секунду через любого человека на Земле проходят миллиарды нейтрино.

Большинство этих нейтрино испускается Солнцем. Однако высокоэнергетические нейтрино, приходящие из других мест космоса, также достигают нашей планеты. Эти нейтрино примерно в миллиард раз реже тех, что льются от Солнца.

Они происходят из разнообразных источников, таких как чёрные дыры в сердцах далёких галактик, разгоняющие частицы до экстремальных энергий.

Идея эксперимента IceCube состояла в том, чтобы использовать лёд на Южном полюсе как прозрачную природную среду для улавливания слабых вспышек этих высокоэнергетических частиц. Эксперимент включает тысячи датчиков под замёрзшей поверхностью Антарктиды, распределённых на объёме в один кубический километр.

Комментируя важность работы Хальцена, Марк Пирс, председатель Нобелевского комитета по физике, сказал: «У нейтрино такие необычные свойства: тот факт, что оно так редко взаимодействует с веществом, — и в данном случае это способ принести нам информацию о далёких космических источниках, которую мы не можем получить иначе».

Большая часть того, что мы знаем о Вселенной, происходит от света. Но некоторые из её самых экстремальных сред могут скрывать свои секреты от света полностью. Высокоэнергетические нейтрино дают нам другой способ их увидеть.

Фрэнсис Хальцен, работающий в Университете Висконсин-Мэдисон, помог превратить эти неуловимые частицы в новый инструмент астрономии. Нейтрино настолько слабо взаимодействуют с материей, что могут проходить сквозь звёзды, галактики и даже целые планеты почти не возмущаясь. Это делает их чрезвычайно трудными для обнаружения — но также уникально ценными посланниками из космоса.

Проблема в том, что высокоэнергетические нейтрино, приходящие от объектов за пределами нашей Солнечной системы, исключительно редки. Чтобы поймать их достаточно, физикам нужен детектор огромного масштаба — около кубического километра.

В 1988 году Хальцен предложил поразительно смелое решение: использовать сам антарктический лёд.

Природный детектор

Глубоко под Южным полюсом лёд исключительно прозрачен. Учёные бурят узкие скважины глубоко в него и опускают длинные гирлянды световых датчиков более чем на километр под поверхность. После того как скважины снова замерзают, датчики оказываются встроенными в огромный природный детектор.

Большинство нейтрино проходят прямо сквозь Землю и через IceCube, не оставляя никакого следа. Но иногда нейтрино сталкивается с веществом во льду или рядом с ним и производит заряженную частицу, такую как мюон.

Этот мюон может двигаться через лёд быстрее, чем свет в льду, производя слабый конус синего света, известный как черенковское излучение. Это не означает, что он движется быстрее универсального предела скорости: свет движется через лёд медленнее, чем через вакуум.

Измеряя время и характер этого света по множеству погребённых датчиков, IceCube может реконструировать путь мюона и вывести направление, откуда пришло исходное нейтрино.

Фактически мюон оставляет светящийся след через лёд, который позволяет учёным проследить обратно к источнику нейтрино в небе.

В 2013 году IceCube сообщил о первом сильном свидетельстве популяции чрезвычайно высокоэнергетических нейтрино, приходящих из-за пределов нашей Солнечной системы.

Это был крупный прорыв, потому что нейтрино ведут себя совсем не так, как другие частицы, достигающие нас из космоса. Космические лучи, например, электрически заряжены. Магнитные поля искривляют их пути, пока они путешествуют по Вселенной, поэтому к моменту прибытия на Землю может быть крайне трудно установить, откуда они пришли.

Нейтрино не имеют электрического заряда. Они путешествуют через пространство почти по прямым линиям, поэтому направление их прибытия может указать нам обратно на их источник. Они также могут вырываться из плотных сред, где свет может быть поглощён или рассеян, прежде чем выйти наружу.

Это открывает новое окно на некоторые из самых жестоких мест во Вселенной, включая окрестности сверхмассивных чёрных дыр и другие мощные космические ускорители частиц.

Прорыв также помог утвердить то, что мы теперь называем многосвязной астрономией: построение более полной картины Вселенной путём объединения различных космических сигналов, включая свет, гравитационные волны, космические лучи и нейтрино.

Каждый несёт свою часть информации.

Поворот в истории

Нейтрино не впервые оказываются связаны с Нобелевской премией. За последние десятилетия Нобелевские премии отмечали их обнаружение, открытие различных типов нейтрино, обнаружение космических нейтрино и открытие того, что нейтрино осциллируют — и, следовательно, имеют массу.

Работа Хальцена добавляет ещё одну главу: использование их не просто как частиц для изучения, а как посланников, с помощью которых можно заниматься астрономией.

Поскольку нейтрино могут пересекать огромные расстояния и проходить сквозь материю почти не возмущаясь, учёные даже размышляли о том, не могут ли они однажды быть использованы для связи на межзвёздных расстояниях.

Это остаётся строго гипотетическим: IceCube обнаруживает нейтрино, произведённые естественными астрофизическими процессами, а не сообщения от внеземных цивилизаций.

В этой истории есть прекрасная ирония. Нейтрино полезны именно потому, что их так трудно поймать. Их нежелание взаимодействовать с материей — это то, что позволяет им пересекать огромные космические расстояния почти без изменений.

И детектору, сделавшему эту новую астрономию возможной, не нужно было содержать кубический километр искусственного материала. Прозорливость Хальцена состояла в том, чтобы понять, что природа уже предоставила его под Южным полюсом.

Эти так называемые «призрачные частицы» стали, таким образом, замечательным способом исследования некоторых из самых энергичных — и иначе скрытых — частей Вселенной.