Мир сквозь антарктический кристалл

Шестого октября 2026 года, Шведская королевская академия наук назвала имя очередного лауреата Нобелевской премии по физике. Им стал 82-летний бельгийско-американский астрофизик Фрэнсис Хальцен из Университета Висконсин-Мэдисон, удостоившийся этой награды с формулировкой «за решающий вклад в создание нейтринной обсерватории IceCube и открытие высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения».

В кулуарах научного сообщества эта новость вызвала легкий шок, смешанный с искренним восхищением. Современная физика элементарных частиц и астрофизика — это, по сути, удел гигантских научных коллабораций. Нобелевский комитет на протяжении многих лет избегал присуждать премию по физике одному человеку, отдавая предпочтение командам (из самых ярких примеров можно вспомнить коллективные награды за открытие бозона Хиггса или гравитационных волн). И, как отмечают внимательные аналитики, последний раз «физическая Нобелевка» не делилась между двумя или тремя лауреатами в 1992 году — тогда ее получил Жорж Шарпак за изобретение многопроволочной пропорциональной камеры.

Человек в эпоху мегасайенс

Триумф одного ученого в эпоху мегасайенс — это редчайший прецедент. Он подчеркивает уникальность научного вклада нобелевского лауреата — 2026.

В антарктической коллаборации IceCube сегодня участвует около 450 ученых из 58 институтов 14 стран. Это колоссальная научная машина, регулярно генерирующая петабайты данных. Однако Нобелевский комитет выделил именно Фрэнсиса Хальцена как главного исследователя (Principal Investigator) и «двигателя» этого мегапроекта.

Как отмечено в научном обосновании премии, именно его «научное видение заложило основу для будущих исследований в этой области». Он был тем самым «катализатором», который превратил теоретическую концепцию в эффективный инженерный проект и довел его до реальных научных открытий. Присуждение премии Фрэнсису Хальцену — это дань уважения силе индивидуального научного визионерства, человеку, который в буквальном смысле создал с нуля новую перспективную отрасль научного знания.

«Фрэнсис Хальцен тянет эту лямку уже многие годы. И это действительно выдающийся эксперимент и блестящая, очень нетривиальная идея — использовать кубический километр антарктического льда как детектор, а всю толщу Земли — как фильтр от фоновых частиц. Причем сами результаты у исследователей “прорезались” относительно недавно, но они уже набрали очень хорошую статистику. Фактически это означает, что если идти по этому пути дальше, то через пять-десять лет у нас будет очень богатый набор таких событий, причем с источниками из самых разных точек Вселенной» — так прокомментировал присуждение премии доктор физико-математических наук, заведующий научно-исследовательской лабораторией экспериментальной ядерной физики Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ Александр Болоздыня.

Вольфганг Эрнст Паули — австро-швейцарский физик-теоретик, работавший в области физики элементарных частиц и квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1945 год

Wikipedia

Физика частиц встречается с астрофизикой

Нейтрино было предсказано Вольфгангом Паули в 1930 году для объяснения непрерывного спектра бета-распада, а экспериментально обнаружено лишь четверть века спустя, в 1956 году, Клайдом Коуэном и Фредериком Райнесом, использовавшими ядерный реактор как мощный источник нейтрино (точнее, антинейтрино — античастицы нейтрино, рождающейся при бета-распаде реакторных осколков). И уже тогда стало ясно: эта частица, не имеющая электрического заряда и подчиняющаяся лишь слабому и гравитационному взаимодействиям, является идеальным «астрономическим мессенджером» (термин, обыгрываемый в том числе в официальном описании достижений нынешнего лауреата Нобелевским комитетом), способным дать опосредованный обзор самых удаленных и скрытых космических источников.

Отметим также, что нынешняя премия четко встраивается во впечатляющую «нейтринную летопись» наград Нобелевского комитета. В 1995 году Фредерик Райнес был отмечен за само обнаружение нейтрино (его напарник по эксперименту Клайд Коуэн не дожил до награды — он скончался в 1974 году). В 2002-м Рэймонд Дэвис и Масатоси Косиба получили награду за детектирование космических нейтрино мегаэлектронвольтного диапазона — от Солнца и сверхновой 1987А. В 2015-м Такааки Кадзита и Артур Макдональд удостоились награды за доказательство того, что нейтрино осциллируют и, следовательно, обладают массой. И к настоящему времени нейтринный «энергетический фронт» сдвинулся примерно на девять порядков — в петаэлектронвольтную область (1 ПэВ = 10¹⁵ эВ).

Причем астрофизиков сегодня особо интересуют именно невероятно мощные, высокоэнергетические космические собратья. Космос непрерывно пронизывается космическими лучами — в основном протонами, разогнанными до энергий, в миллионы раз превышающих возможности того же Большого адронного коллайдера в Женеве. Источники этих лучей — взрывающиеся звезды (сверхновые) и активные ядра галактик (квазары и блазары) с гигантскими черными дырами, выступающие в роли естественных ускорителей частиц.

Но космические лучи имеют электрический заряд, и их траектории искривляются галактическими и межгалактическими магнитными полями. Соответственно, долетев до Земли, они не могут нам точно «рассказать», откуда именно пришли. И здесь на сцену как раз и выходят нейтрино. Физика элементарных частиц постулирует: процессы, разгоняющие протоны до экстремальных энергий, неизбежно порождают и высокоэнергетические нейтрино. Но нейтрино не имеют заряда — магнитные поля не оказывают на них воздействия. Они не поглощаются космической пылью и реликтовым излучением. И «поймав» (детектировав) такую частицу, мы можем провести прямую линию назад, сквозь миллиарды световых лет, и точно указать на космический катаклизм, который ее породил.

IceCube Lab с высоты птичьего полета

icecube.wisc.edu

Как «идеальное невежество» спасло проект

Сама идея использовать большие объемы прозрачной среды для поимки высокоэнергетических нейтрино — через регистрацию голубого черенковского излучения от редких столкновений частиц с ядрами атомов — витала в воздухе еще с 60-х годов прошлого века. Пионером в этой области был проект DUMAND, предполагавший опускать детекторы на океанское дно у берегов Гавайев.

Осенью 1987 года Фрэнсис Хальцен, защитивший докторскую диссертацию в Католическом университете Лейвена (Бельгия) и затем продолживший свою научную работу в США, выступая с докладом на конференции в Канзасе, услышал от знакомого гляциолога об идее советских ученых детектировать радиоизлучение от нейтрино во льдах Антарктиды. Хальцен быстро понял, что экспериментальный порог детектирования при таком базовом подходе слишком высок, но сама мысль о возможном использовании антарктического льда его сильно зацепила. В следующем, 1988 году он связался с Джоном Лернедом (лидером вышеупомянутого проекта DUMAND) и представил предварительную концепцию «ледяного нейтринного телескопа».

Впоследствии Хальцен с иронией вспоминал этот момент: «Подозреваю, что другие, должно быть, обдумывали ту же идею и быстро отказались от нее. Если бы я не был совершенно невежественен относительно того, что тогда было известно об оптических свойствах природного льда, я, вероятно, поступил бы так же». И это его «идеальное невежество», по сути, затем спасло проект.

У Южного полюса в теории были колоссальные преимущества. В отличие от океана в глубинах ледника нет биолюминесценции, создающей фоновый шум, нет течений, нет радиоактивного калия-40, а американская полярная станция Амундсен — Скотт обеспечивала необходимую логистику. И Хальцен интуитивно понял, что, если пробурить глубинные скважины и опустить туда тросы с оптическими модулями, антарктический лед может стать идеальной линзой для наблюдения за Вселенной.

Преодолевая «пузырьковый барьер»

Путь к современному детектору IceCube был весьма тернистым. Первым его крупным прототипом стала AMANDA (Antarctic Muon and Neutrino Detection Array) — проект, который продемонстрировал сам подход, впоследствии использованный и доработанный в IceCube: тросы с фотоумножителями, опущенные в километровые скважины, пробуренные во льду. Для бурения применялась система высокого давления с горячей водой — технология, изначально разработанная гляциологами для изучения ледниковых кернов. Скважина заполнялась водой, и в нее, прежде чем лед успеет снова сомкнуться, опускался трос с датчиками.

AMANDA строилась поэтапно между 1993 и 2000 годами, и Хальцен был ее главным идеологом на всех стадиях. Однако первые практические попытки столкнулись с суровой реальностью: на глубине от 800 до 1000 метров во льду было заключено огромное количество микроскопических пузырьков воздуха. Они рассеивали черенковский свет и не позволяли точно реконструировать траекторию детектируемых частиц. Решение пришло от самой природы: на глубине более 1400 метров колоссальное давление верхних слоев спрессовало лед так, что «зловредные» пузырьки исчезли. Лед там оказался кристально чистым — черенковский свет мог пролетать в нем сотни метров, не поглощаясь.

Коллаборация AMANDA опубликовала широкий спектр результатов, включая оценку базовых ограничений на величину потока астрофизических нейтрино, и в 2009 году, выполнив свою роль технологического моста, была выведена из эксплуатации.

Опираясь на первые результаты проекта AMANDA, Хальцен уже в 1999 году подал заявку в Национальный научный фонд США (NSF) на строительство нового гигантского детектора, в очередной раз взяв на себя роль Principal Investigator. В марте 2002 года NSF наконец одобрил финансирование, и в 2004-м началось масштабное строительство. Так родился IceCube, развернутый в антарктических льдах в непосредственной близости от полярной станции Амундсен — Скотт.

Его техническая конструкция крайне прихотлива: каждый из 86 тросов несет 60 оптических модулей — 25,4-сантиметровых полусферических фотоумножителей, направленных вниз и снабженных встроенной оцифровывающей электроникой. Модули распределены вдоль троса с шагом 17 метров, а данные с них передаются на поверхность по оптоволокну. Сами тросы размещены в гексагональном порядке с треугольной сеткой и шагом 125 метров на глубине от 1450 до 2450 метров.

Бурение всех 86 скважин под эти тросы заняло шесть антарктических сезонов — с 2005 по 2010 год. В итоге образовался кубический километр льда массой около одной гигатонны, «прошитый» более чем пятью тысячами световых сенсоров.

Дополнительно на поверхности льда прямо над IceCube размещен массив черенковских детекторов IceTop, предназначенный для регистрации широких атмосферных ливней космических лучей в диапазоне от 300 тераэлектронвольт до 1 эксаэлектронвольта. IceTop выполняет роль своеобразного «вето»: если ливень пришел сверху и зарегистрирован поверхностными детекторами, соответствующее событие в глубине льда с высокой вероятностью является фоновым и отбрасывается.

Лаборатория IceCube под звездным ночным небом. На фоне Млечного Пути и полярного сияния

icecube.wisc.edu

Охота на призраков

Поиск высокоэнергетических нейтрино во-многом напоминал поиск иголки в стоге сена. Каждую секунду детектор регистрирует сотни мюонов от атмосферных ливней и сотни атмосферных нейтрино. Но в 2013 году, анализируя данные за 2010–2012 годы, команда IceCube наткнулась на два аномальных события с энергией около 1 ПэВ — в сто раз выше, чем дает Большой адронный коллайдер. Эти события, названные учеными «Берт» и «Эрни», не могли родиться в атмосфере Земли. Это было первым прямым доказательством существования диффузного потока нейтрино, пришедших из глубин космоса. В 2014 году чисто атмосферное объяснение этих данных было отвергнуто.

В 2017-м IceCube зарегистрировал нейтрино с энергией порядка 290 ТэВ и сразу же разослал оповещение астрономам по всему миру. Телескопы подтвердили: в задетектированном направлении находится блазар, переживавший в тот момент мощную вспышку. Это был первый случай, когда источник нейтрино был идентифицирован в реальном времени.

Взгляд в будущее: «нейтринный глобус»

Обнаружение астрофизических нейтрино открыло человечеству новое окно во Вселенную. По словам кандидата физико-математических наук, старшего научного сотрудника отдела астрономии и радиоинтерферометрии Института космических исследований РАН Алексея Позаненко, «высокоэнергетические нейтрино очень важны для понимания базовых физических процессов при слиянии различных космических объектов, например нейтронных звезд при коллапсе в черную дыру, процессов рождения сверхновых звезд. То есть это позволяет нам заглянуть вглубь той физики, которая происходит во время генерации таких нейтрино, точнее, оценить, какой процент энергии при подобном слиянии уходит в нейтрино — то, что мы не видим и никогда не увидим ни радиотелескопами, ни гамма-телескопами, ни оптическими телескопами».

И IceCube только начало этого пути. В ближайшие десятилетия на планете будет развернута глобальная нейтринная сеть.

IceCube-Gen2 (запланированный апгрейд IceCube) на Южном полюсе увеличит объем детектирующего льда до восьми кубических километров. KM3NeT в Средиземном море и P-ONE у берегов Канады возьмут на себя наблюдение за другим полушарием неба.

А уже действующий российский глубоководный нейтринный детектор Baikal-GVD (по своим параметрам он хорошо дополняет IceCube, в нем реализована та же идея, только вместо льда используется вода) и проект TRIDENT в Южно-Китайском море замкнут «нейтринный глобус», обеспечив непрерывное сканирование всего космоса. Причем, как отметил Алексей Позаненко, «байкальский нейтринный детектор — одна из немногих конкурентоспособных российских установок, которые позволяют делать научные открытия на мировом уровне».