Премия за превращение Южного полюса в нейтринный телескоп
Нобелевскую премию по физике 2026 года получил Фрэнсис Халзен (Университет Висконсин-Мадисон, США) «за решающий вклад в работу нейтринной обсерватории IceCube и открытие высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения»
В этом году Нобелевский комитет в определённой степени удивил общественность, присудив Нобелевскую премию по физике 2026 года одному человеку. В последний раз такое было более тридцати лет тому назад, в 1992 году. В современной науке крупные открытия обычно являются результатом работы большого числа учёных, и Нобелевский комитет распределяет награду между несколькими ключевыми исследователями. Кроме того, в случае с IceCube есть ещё одна особенность: Нобелевскую премию в этот раз вручили за создание инструмента, принципы работы которого новыми назвать нельзя. И открытий «нобелевского уровня» на нём, по большому счёту, ещё не было сделано. Следует, однако, признать, что инструмент под руководством лауреата был создан уникальный, и первые открытия были достаточно важные, и ожидания с IceCube связаны большие.
На присуждение Нобелевских премий, похоже, стал влиять фактор возраста кандидатов. Правила требуют, чтобы значение достижения было «проверено временем». На практике, с учётом ротации сфер исследований, за которые вручается награда, получается, что разрыв между открытием и премией достигает двадцати и более лет. Это означает, что авторы важных достижений рискуют не дожить до присуждения премии. Вспомним хотя бы Роберта Браута, который скончался в 2011 году в возрасте 82 лет и не получил Нобелевскую премию по физике 2013 года вместе с Питером Хиггсом и Франсуа Энглером за работы начала 1960-х годов. Фрэнсису Халзену (встречаются написания Хальцен и Хелзен, в оригинале Halzen) сейчас тоже 82 года, и он посвятил проекту почти сорок лет. Сложный вопрос, дождётся ли он более важного открытия на своей установке? Поэтому премия присуждена в этом смысле, чтобы успеть.
Хотя в последние несколько лет Халзен не фигурировал в серьёзных прогнозах как претендент на Нобелевскую премию, ранее его в эти списки включали. Так что неожиданной его кандидатура не стала, и аргументы для награждения у Нобелевского комитета были. И на то, чтобы отметить именно одного Халзена, — есть основания. Он был не просто одним из многих участников создания: он был автором идеи, её защитником и бессменным руководителем проекта на протяжении всей его истории. До сегодняшнего дня Халзен остаётся главным исследователем IceCube. Без его настойчивости, научного авторитета и способности убеждать коллег и спонсоров в осуществимости, казалось бы, невыполнимого проекта IceCube мог бы так и остаться красивой теоретической идеей. Нобелевская премия подчеркнула как личный вклад Халзена, так и важность самого инструмента.
Зачем астрофизикам нейтрино
Нейтринная астрономия зародилась в 1960-х годах, когда Раймонд Дэвисмладший построил в Хоумстейке (США) нейтринный детектор, на котором, начиная с 1970 года, наблюдал нейтрино, пришедшие от Солнца. С 1983 года заработала нейтринная обсерватория Камиоканде в Японии под руководством Масатоси Косиба, где научились определять траекторию нейтрино и отслеживать их происхождение*. В 1987 году Камиоканде зафиксировала поток нейтрино, связанный со взрывом сверхновой в Большом Магеллановом Облаке. Дэвис-младший и Косиба были удостоены Нобелевской премии по физике 2002 года «за пионерский вклад в астрофизику, в частности, за обнаружение космических нейтрино».
*Подробнее о нейтрино и загадке солнечных нейтрино можно прочитать в статье: А. Понятов. «Оборотни» микромира. «Наука и жизнь» № 11, 2015 г.
Называть подобные установки телескопами, вообще говоря, некорректно. Телескопы устроены иначе. Правильно говорить о нейтринных детекторах, используемых в астрофизических исследованиях. Но для простоты часто говорят о нейтринных телескопах и обсерваториях.
Так нейтрино стали инструментом изучения космоса. Эти частицы присутствуют повсюду. Каждую секунду сквозь ноготь вашего мизинца проходят более 60 миллиардов нейтрино от Солнца. Однако они не имеют электрического заряда, почти не обладают массой и очень слабо взаимодействуют с веществом, а потому проходят сквозь Землю и наши тела, оставаясь незамеченными. Тем не менее, пусть и крайне редко, нейтрино взаимодействуют с каким-либо атомным ядром, что позволяет физикам, при наличии соответствующего сложнейшего оборудования, обнаружить их.
Но зачем же учёные строят огромные и сложные детекторы для поимки этих неуловимых частиц? Всё дело в том, что слабое взаимодействие с веществом делает их важным источником данных: в отличие от других частиц, нейтрино достигают нас, не меняя направления и не теряя энергии. Это означает, что они могут предоставлять информацию о мощных процессах в дальнем космосе, недоступную никаким другим способам исследований. Традиционная астрономия наблюдает Вселенную через электромагнитное излучение — свет, радиоволны, рентгеновские и гамма-лучи. Но многие области Вселенной — плотные газопылевые облака, окрестности чёрных дыр, далёкие активные галактические ядра — для света непрозрачны. Нейтрино же проходят сквозь такие объекты беспрепятственно. Гамма-излучение, хотя и обладает гораздо большей проникающей способностью, тоже ослабевает и рассеивается при взаимодействии со светом и материей во время своего путешествия в пространстве, в то время как нейтрино остаются неизменными.
Ещё одним вестником грандиозных космических процессов служат очень энергичные космические лучи — как правило, протоны. Траектория заряженных протонов в пространстве искривляется магнитными полями, через которые они проходят, что делает невозможным определение их происхождения путём отслеживания направления их движения. Однако процессы, ускоряющие протоны, также порождают нейтрино, на которые магнитные поля не влияют, поэтому можно определить область такого ускорения. Энергия космических лучей достигает ~1020 эВ, что намного больше, чем можно передать протонам в ускорителях частиц на Земле. Здесь рекорд принадлежит Большому адронному коллайдеру (ЦЕРН) ~7×1012 эВ.
Проблема регистрации нейтрино в том, что детектор должен быть достаточно большого объёма, чтобы хоть сколько-то нейтрино, пролетающих через вещество детектора, провзаимодействовали с ним. Нюанс заключается в том, что чем выше энергии нейтрино, тем реже они встречаются и тем больший объём детектора необходим. Для регистрации малоэнергичных солнечных нейтрино, например, достаточно объёма детектора Супер Камиоканде (начал работу в 1996 году), немного превышающего 0,05 км3. А вот нейтрино из дальнего космоса с чрезвычайно высокими энергиями (их часто называют астрофизическими) встречаются крайне редко, поэтому для регистрации достаточного их количества необходим огромный объём детектора, который оценивается в кубический километр. Построение такого детектора — задача слишком сложная и дорогая, поэтому возникает идея воспользоваться тем, что дала нам природа.
Русский след в премии 2026 года
В 1960 году советский физик-теоретик Моисей Александрович Марков на международной конференции по физике высоких энергий в Рочестере (США) первым предложил устанавливать детекторы глубоко под водой и регистрировать нейтрино по черенковскому излучению возникающих мюонов. В редких случаях столкновения нейтрино с атомным ядром образуется заряженная частица мюон, которая затем движется в том же направлении, что и исходное нейтрино, порождая черенковское излучение с преобладанием ультрафиолета. Надо только найти глубокое место с чистой водой, чтобы издалека видеть этот свет. Нейтринная программа СССР началась в 1964 году, когда президент АН СССР Мстислав Всеволодович Келдыш утвердил задание на проектирование нейтринной станции ФИАН, а руководить проектом поручили будущему академику Александру Евгеньевичу Чудакову.