Нобелевская премия по физике 2026 года была вручена бельгийскому физику Фрэнсису Хальзену за “решающий вклад в нейтринообсерваторию IceCube и открытие высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения”. Нейтрино долгое время считались почти невозможными для обнаружения, особенно те, которые приходят из глубокого космоса. Отследить их до источников космоса еще сложнее на Земле, потому что подавляющее большинство из них исходит от Солнца или производится в магнитном поле планеты. Тем не менее ученые смогли обнаружить их благодаря проекту поразительного масштаба, впервые предложенному советским физиком Моисеем Марковым в 1960-х годах и реализованному усилиями Хальзена в последние десятилетия: IceCube – обсерватория, погребенная глубоко в антарктическом льду. Что мы должны знать о истории проекта? Как работает космический нейтрино детектор? И что может рассказать нам изучение этих частиц?
Советские корни Нобелевской премии 2026 года: Как идея Моисея Маркова завоевала мир физики
Популярные научные публикации на русском языке по физике, как и сама область, находятся в гораздо лучшем состоянии, чем их аналоги в других научных дисциплинах Нобелевской премии, биологии и химии. Эксперты уже написали множество глубоких статей о нейтрино и нейтринообсерватории IceCube, идее нынешнего лауреата Фрэнсиса Хальзена. Сложно добавить что-то новое к этим отчетам, поэтому они являются разумным местом для начала.
Читатели особенно повезло, что книга Марка Боуэна “Телескоп во льду: Изобретение новой астрономии на Южном полюсе” была переведена на русский язык несколько лет назад. Она рассказывает историю этого замечательного проекта, задуманного и созданного усилиями Хальзена. Написанная в 2017 году, книга сегодня уже устарела по своим данным о “открытиях” нейтрино (современная физика движется быстро). Ее центральная история – история Хальзена и его создания – остается точной и увлекательной.
Надземная часть нейтринообсерватории IceCube в Антарктике. Под ней, на глубине около 1,5 километра, расположены 5 160 детекторов, подвешенных на 86 отдельных кабелях. Данные с детекторов отправляются через спутник для анализа.
В 2021 году физики Дмитрий Наумов и Игорь Иванов из Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований дали нашим читателям подробное объяснение, что представляют собой нейтрино и как ученые ищут космические нейтрино в глубинах российского Байкала. Тот материал был посвящен аналогу IceCube, нейтринообсерватории Байкаль-ГВД. Это одна из редких областей, в которых российская наука вносит вклад в исследования, дополняющие работу в других местах мира, а не пытается догнать.
Байкаль-ГВД находится в противоположном полушарии по сравнению с IceCube и работает в воде, а не в льду. Это большое преимущество, а не компромисс, диктуемый обстоятельствами (хотя работа на озере Байкал, конечно, проще, чем работа в Антарктике). Данные из двух установок дополняют друг друга: Их позиции на противоположных сторонах Земли помогают точнее определить источники входящих частиц, а детекторы в воде предлагают большую точность по сравнению с теми во льду, где свет рассеивается более легко.
Русская – или, чтобы быть точным, советская – связь нынешней премии ясна. СССР начал строительство аналогичного нейтрино телескопа еще в начале 1980-х годов. Более того, советский физик и член Академии наук Моисей Марков предложил искать следы нейтрино в крупных естественных водоемах или льдах, как, например, в озерах или морях, в отличие от построения чисто лабораторных детекторов, которые также существуют.
Опуская оптические детекторы в воду в нейтринообсерватории на Байкале. В отличие от детекторов IceCube, детекторы Байкаль-ГВД не замерзают в льду, а плавают в жидкой воде, закрепленные на дне озера.
Марков предложил идею на конференции в Рочестере в 1960 году. Это не было случаем идеи, пришедшей в голову одному советскому ученому, появившейся в малоизвестном журнале и открытой в Западе много лет позже. Марков представил ее сам в Рочестере, и многие западные физики сразу увидели ее потенциал и приняли. Фрэнсис Хальзен был среди тех, кто принял ее. Сам лауреат вспоминал тот момент:
Как строится такой детектор? Также известно с 1960 года. Мне нравится вспоминать фотографию […] Маркова, у которого была идея, вместе с Понтекорво, потому что у Понтекорво была практически каждая идея в физике нейтрино – за исключением этой. Это была идея Маркова. Что ты делаешь – строишь детектор Черенкова. Ты идешь глубоко в океан, или в случае с Россией, ты идешь глубоко в Байкал. Там темно. Ты устанавливаешь световые датчики, заполняя кубометр воды.
Ты берешь свой воображаемый километр, и ты обнаруживаешь частицы, проходящие через Землю. Если частица проходит через землю, это нейтрино. Никакая другая частица не проходит через Землю. Что делает это нейтрино? Оно проходит через детектор, и ты ничего не видишь. Тем не менее, примерно один раз из миллиона, в регионе, который нас интересует, и где работает IceCube, нейтрино столкнется с протоном. Тогда возникает ядерная реакция, и вода становится синей, точно так же, как это происходит в ядерном реакторе […]
Эти два абзаца по сути объясняют все, что нужно знать о том, как работает IceCube и идея, которая принесла Нобелевскую премию. Чтобы разобраться в этом кратком описании, начнем с нейтрино.
Что такое нейтрино и почему их ищут?
“Нейтрино присоединилось к рядам элементарных частиц мягко и плачевно,” писал Моисей Марков в своей монографии 1964 года. “В течение нескольких лет было неясно, является ли нейтрино реальной частицей или теоретическим понятием, которое успешно описывало в количественных терминах исчезновение энергии и момента импульса в различных реакциях.”
Проще говоря, это означает, что физики изначально просто придумали нейтрино. Они выдумали их, чтобы сохранить закон сохранения энергии в некоторых радиоактивных процессах распада, порождающих электроны. Согласно законам сохранения, у этих электронов должны были быть определенные, фиксированные энергии – но по какой-то причине они этого не были: Их энергии образовали непрерывный спектр, а не набор дискретных значений. Тогда, как сейчас понимают историю, австрийско-немецкий физик Вольфганг Паули предложил, что эти распады также производят гипотетическую частицу, которая уносит часть энергии и момента импульса.
Это спасло закон сохранения энергии, но за значительную цену: “выдуманной” частице нужно было не иметь заряда, не иметь массу и практически не общаться ни с чем. Доказать даже ее существование было практически невозможно на тот момент, что естественно беспокоило физиков, которые не любят такие нематериальные вещи.
Оперники нейтрино – как их сила, так и их слабость как инструмента для изучения мира – это то, что они участвуют только в так называемом слабом взаимодействии. С ней действует и гравитация, но настолько тонко, что это воздействие часто можно пренебречь. Слабое взаимодействие – одно из четырех фундаментальных взаимодействий наряду со сильным взаимодействием, электромагнетизмом и гравитацией. Оно действует на крайне коротком расстоянии, меньшем даже, чем ядро атома.
Одна из самых впечатляющих нейтринных обсерваторий в мире, Камиока в Японии. Она состоит из огромного цилиндрического искусственного пещеры с оптическими детекторами, выложенными по стенкам. Инженеры должны использовать лодку для обслуживания детекторов.
Нейтрино часто описывают как легкие, почти эфирные частицы, которые проходят сквозь материю, как нематериальные ангелы. Но это описание не совсем верное. Почти 65 миллиардов нейтрино проходят через каждый квадратный сантиметр наших тел каждую секунду, и мы даже не замечаем. Но это не из-за того, что эти частицы такие легкие.
Хотя точная покойная масса нейтрино до сих пор неизвестна (еще одно замечательное свойство этих частиц), их огромная скорость может дать им столько же энергии, сколько может доставить теннисный мяч при столкновении. Если нейтрино такой решит взаимодействовать с вами, вы обязательно заметите. Вероятность этого крайне мала, однако: ему нужно попасть в подходящее атомное ядро с точностью до долей фемтолуча. Только тогда нейтрино имеет шанс взаимодействовать и высвободить свою энергию в конце своего пути. Тот факт, что это никогда не происходит с людьми, говорит нам меньше о том, насколько легки и нематериальны нейтрино, чем о том, как люди, как и вся видимая материя, состоят в основном из пустоты.
Так как же ученые доказали, что нейтрино существуют и даже построили для них детекторы? Как вы уже могли догадаться, даже очень редкие события могут быть обнаружены, если у них достаточно возможностей произойти. Для н
