Лауреатом Нобелевской премии по физике за 2026 год стал бельгийский физик, профессор Висконсинского университета в Мадисоне (США) Фрэнсис Хальцен. Премия присуждена ему «за решающий вклад в развитие нейтринной обсерватории IceCube и открытие высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения».
The Insider попросил физиков разъяснить суть и значимость исследований Хальцена.
Физик, почетный профессор Оксфордского университета Субир Саркар:
«Речь об открытии, которое стало возможным благодаря усилиям, приложенным Хальценом, чтобы добиться проведения эксперимента IceCube, задуманного им еще в 1988 году. Строительство IceCube на Южном полюсе началось в 2004 году и завершилось к 2011-му. Это потребовало усилий сотен людей — физиков, инженеров, техников, как и любой большой эксперимент. В качестве главного исследователя Хальцен был движущей силой международного сотрудничества IceCube, которое совершило открытие высокоэнергетических космических нейтрино, названное журналом Physics World прорывом года в 2013-м.
Традиционно роли физика-теоретика и физика-экспериментатора четко разграничены, будь то в физике элементарных частиц высоких энергий или в астрономии и астрофизике. Однако эта Нобелевская премия наглядно демонстрирует, что подобное разделение ролей больше не актуально и не является необходимым: теоретик вполне может инициировать масштабный эксперимент и возглавить его, приведя к фундаментальным открытиям. Кроме того, это служит примером того, как важно для нынешнего поколения ученых мыслить нестандартно, идти на риск и активно сотрудничать друг с другом — ради того, чтобы заниматься по-настоящему захватывающей наукой.
Хальцен — теоретик, занимающийся проблемами на стыке физики элементарных частиц, астрофизики и космологии, однако он сумел предвидеть, что именно необходимо для регистрации космических нейтрино высоких энергий.
Благодаря IceCube также были обнаружены квантово-механические превращения нейтрино разных типов, то есть осцилляции нейтрино высоких энергий, с чувствительностью, сравнимой с экспериментами на ускорителях. В 2018 году IceCube также обнаружил первый потенциальный источник космических нейтрино — блазар (то есть активную галактику, струя из центральной сверхмассивной черной дыры которой направлена в сторону Земли) на расстоянии 5,7 млрд световых лет от нас.
Любопытно, что детектор IceCube не зафиксировал образование нейтрино ни от гамма-всплесков, ни при слиянии двойной системы нейтронных звезд, обнаруженном по гравитационным волнам. Выявление на небе отдельных источников космических нейтрино высоких энергий и дальнейшее изучение столь экстремальных космических условий продолжаются. Это важно, потому что это ответит на давние вопросы о происхождении частиц, которые обладают энергией, превышающей вплоть до миллиона раз ту, что может быть получена с помощью земных ускорителей, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРН в Женеве.
Изучение свойств и взаимодействий нейтрино может также выявить новые явления, выходящие за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц. Коллаборация IceCube также сделала новые выводы о свойствах ледникового льда, внесла вклад в изучение структуры Земли, изучая поглощение высокоэнергетических нейтрино, и мониторила температуру верхних слоев атмосферы, изучая поток мюонов.
IceCube намного больше, чем детекторы нейтрино, такие как Баксан и Камиоканде, потому что он был разработан для обнаружения нейтрино очень высоких энергий, ожидаемый поток которых очень мал. Детекторы меньшего размера предназначены для обнаружения нейтрино от Солнца и галактических сверхновых с энергией ~10-100 МэВ, тогда как IceCube создан для обнаружения космических нейтрино с энергией ~ ТэВ-ПэВ. Впоследствии его порог обнаружения был снижен до ~ 10 ГэВ, был добавлен близко расположенный внутренний детектор под названием DeepCore, а совсем недавно проведена модернизация IceCube. Это позволит более точно изучать нейтринные осцилляции, а новые эксперименты с более низкими энергиями, такие как JUNO, Гипер-Камиоканде и DUNE, предоставят дополнительные данные».
Отдельная заслуга Хальцена заключается в том, что он нашел финансирование для масштабного проекта:
«Он смог убедить сначала свой университет (Висконсинский университет в Мадисоне), а затем Национальный научный фонд (NSF) США профинансировать этот смелый проект на сумму $242 млн. Еще $37 млн внесли партнерские организации из Швеции, Германии и Бельгии.
Чтобы это стало возможным, необходимо было обосновать научную целесообразность проекта, и Фрэнсис Хальцен возглавил процесс подготовки документов для различных экспертных оценок, проведенных Национальным научным фондом, Министерством энергетики и Национальной академией наук США, которые пришли к выводу, что научно проект обоснован и интересен, а метод обнаружения надежен. С момента подачи первоначального письма о намерениях в 1998 году до окончательного одобрения Национальным научным советом в 2004 году прошло 6 лет.
Именно благодаря его постоянному руководству на протяжении этого длительного и сложного процесса все 450 участников коллаборации IceCube, представляющие 58 научных организаций в 14 странах, признают, что Хальцен — человек, который более всех достоин Нобелевской премии».
Как рассказал The Insider еще один физик, специалист в области физики элементарных частиц, говоривший на условиях анонимности, идею использовать лед для регистрации нейтрино выдвинул еще в 1960 году советский ученый Моисей Марков:
«В Советском Союзе был такой академик Моисей Александрович Марков. В 1960 году он опубликовал научную работу, где предложил использовать большие объемы природного материала вроде воды или льда для регистрации нейтрино. Это то, чем занимается сейчас коллаборация IceCube. К сожалению, Марков ушел из жизни в 1994 году, а правила Нобелевской премии не позволяют присуждать ее умершим. И в 1988 году, то есть через 28 лет, Фрэнсис Хальцен предложил использовать большой объем льда, примерно кубический километр, как чувствительный объем для регистрации космических нейтрино. По сути, он конкретизировал идею Маркова.
После этого начались работы при поддержке американских военных, потому что ученые продали эту идею как возможность просвечивать землю и ловить подводные лодки. Идея не сработала, но деньги пошли. Первый вариант детектора, который назвали „Аманда“, собрали уже в 90-е годы. Дело в том, что нейтрино — это частица, которая слабо взаимодействует со всем чем можно, в том числе с ядрами атомов молекул воды во льду. При взаимодействии нейтрино рождает заряженную частицу, которая далее летит по направлению нейтрино и изучает так называемый черенковский свет. Если мюон летит в воде или во льду выше скорости света, то получается этот самый свет. Это явление, которое было открыто советским ученым Черенковым, за что он получил Нобелевскую премию. И этот свет регистрируется оптическими детекторами, которые вморожены в этот лед. Чтобы регистрировать редкие явления, нужно огромное количество льда, и в обсерватории IceCube этого добились. Они насытили объем кубического километра льда в Антарктиде равномерно распределенными по объему оптическими детекторами, которые улавливают этот свет от мюона, рожденного нейтрино. И вот так они знают информацию о нейтрино.
В конце 90-х и начале 2000-х было несколько аналогичных проектов, но не таких масштабных. Один из них проводился на озере Байкал, его делали ученые из Дубны и Института ядерных исследований в Москве и Троицке. Во французском эксперименте ANTARES, в котором я участвовал, мы располагали нейтринный детектор на дне Средиземного моря на глубине 2,5 км. Такого масштабного и значимого эксперимента, как тот, что проводили IceCube, пока никто не добился. Это эксперимент масштаба адронного коллайдера. Это сотни ученых и авторов публикаций, и этот эксперимент обещает всяческие интересные открытия, которые уже сделаны. К сожалению, они одиночные. Во Вселенной обнаружен источник частиц с большой энергией, в частности с нейтрино, и он обнаружен в детекторе IceCube. Нейтрино изначально прилетели из этой точки. И одновременно была зарегистрирована вспышка в этом месте простыми оптическими телескопами. Мы впервые зарегистрировали явление, которое выбросило столько энергии в космос в виде частиц. Все они обладали такой энергией, которую на Земле получить невозможно.
Почему нейтрино так важны для того, чтобы видеть эти источники? Эти источники выбрасывают стабильные частицы, протоны и электроны. Но это заряженные частицы, и в межгалактических магнитных полях они отклоняются и больше не помнят, откуда они появились. Если мы регистрируем такие частицы на земле, то направление их, когда они прилетели на Землю, не будет указывать на источник, потому что они уже искривили траекторию в магнитных полях. Фотоны большой энергии, к сожалению, поглощаются очень эффективно межгалактическим веществом и не распространяются на расстояния, которые важны во вселенском масштабе.
Нейтрино ни с чем почти не взаимодействует, и оно приходит к нам, сохраняя направление на свой источник. Регистрируя нейтрино и то, как оно попало на Землю, мы узнаем, из какой точки оно пришло. IceCube видит источники в нашей галактике, в частности в районе центра галактики. Мы верим, что там находится сверхмассивная черная дыра, которая поглощает окружающий материал и так разгоняет частицы до очень больших энергий.
IceCube много чего делают с нейтрино. В частности, есть такое явление, как осцилляция нейтрино. Мы знаем нейтрино трех сортов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. До какого-то момента мы верили, что когда нейтрино родилось с участием электрона, то оно будет электронным лететь до границ Вселенной. Но оказалось, что нейтрино через какое-то время осциллирует, переходя в другие типы, например в мюонное или в тау-нейтрино. Это явление очень важно для понимания того, как Вселенная устроена. Много экспериментов измеряют это явление, и оказалось, что данные этих экспериментов не очень согласуются между собой. Возможно, есть еще четвертый тип нейтрино, которое называют стерильным нейтрино и которое не взаимодействует ни с чем. Как раз эксперимент IceCube поставил самые жесткие ограничения для существования такого стерильного нейтрино. При работе не только с космическими нейтрино, что было изначально целью создания детектора IceCube, но и вот такая физика осцилляции нейтрино заметно присутствует.
IceCube — это явление в современной физике. Я думаю, что присуждение Нобелевской премии Френсису Хальцену вполне заслуженно».
