Премію з фізики, другу нагороду цьогорічного Нобелівського тижня, присудили Френсісу Гальзену. Фізик запропонував шукати нейтрино в льодовику на Південному полюсі й очолив створення обсерваторії IceCube. За її допомогою вперше зареєстрували нейтрино високих енергій, що прилетіли з-поза меж Сонячної системи.
Частинки надвисоких енергій
Нейтрино з найвищою енергією серед усіх, про які досі повідомляла колаборація IceCube, зареєстрували 31 березня 2019 року, а результат оприлюднили лише в березні 2026-го в журналі Physical Review Letters. Як ідеться в матеріалах до пресрелізу на NobelPrize.org, енергія частинки становила 11,4 петаелектронвольта, тобто понад 11 мільйонів мільярдів електронвольт. Це приблизно в 1600 разів більше, ніж має протон у пучку Великого адронного колайдера, де ця величина сягає 7 тераелектронвольт.
Цікавий образ для розуміння енергії частинки пропонують самі фізики CERN. Вони порівнюють енергію однієї частинки в один тераелектронвольт з енергією руху одного комара в польоті. Якщо скористатися цим образом, то рекордне нейтрино з антарктичного льоду несло стільки ж енергії, скільки понад 11 тисяч комарів.
Перші частинки такого класу знайшли 2013 року майже випадково. Тоді шукали нейтрино з енергією порядку екзаелектронвольта, тобто в тисячу разів вищою, а натомість зареєстрували дві частинки з енергією близько одного петаелектронвольта. Через рік команда обсерваторії довела, що зареєстровані події не можна пояснити лише процесами в атмосфері Землі.
Відрізнити нейтрино, що прилетіли з далекого космосу, непросто. Щороку детектор фіксує близько 100 тис. нейтрино, і більшість із них виникає в атмосфері Землі, коли в неї врізаються космічні промені. Тих, що мають астрофізичне походження, за оцінками, лише близько сотні.
Чому саме нейтрино
Космос пронизують частинки, яким природні прискорювачі, як-от вибухи наднових або струмені плазми біля надмасивних чорних дір в активних ядрах галактик, надають енергії до мільйона разів більші, ніж у земних лабораторіях. Переважно це протони. Магнітні поля Галактики й міжгалактичного простору викривляють їхній шлях, тому за напрямком прильоту джерело не визначити.
Процеси, що розганяють протони, створюють і нейтрино. Ці частинки не мають заряду, тож космічні магнітні поля їх не відхиляють, а пил і газ не затримують. Гамма-випромінювання з тих самих джерел натомість слабшає дорогою або зовсім не проходить крізь щільні хмари.
Та сама властивість ускладнює спостереження. Нейтрино майже не взаємодіють з речовиною. Щосекунди крізь кожен квадратний сантиметр нашого тіла непомітно пролітає близько 65 млрд нейтрино від Сонця. Тому щоб зареєструвати достатньо рідкісних космічних частинок, потрібен детектор об’ємом у кубічний кілометр.
Лід замість океану
Ідею використати замість води природний антарктичний лід Френсіс Гальзен з Університету Вісконсину в Медісоні вперше представив 1988 року разом із колегою Джоном Лернедом. Детектор мав реєструвати спалахи світла, що виникають, коли нейтрино зіштовхується з атомним ядром. Схожий глибоководний детектор мюонів і нейтрино DUMAND розміщували в океані біля Гаваїв, і 1995 року проєкт закрили. Світіння морських організмів і радіоактивні домішки у воді там погіршували чутливість вимірювань.
Лід на Південному полюсі має інші переваги. На глибині там постійна темрява, немає живих організмів, а сама місцевість геологічно стабільна. Поруч уже працювала полярна станція Амундсен-Скотт з налагодженим постачанням.
Перші спроби опустити датчики в лід на Південному полюсі зробили 1992 року, і їхні результати розчарували. Бульбашки повітря у верхніх шарах розсіювали світло й розмивали траєкторії частинок. Нижче 1400 м лід виявився надзвичайно прозорим, а спалахи поширювалися на 300 м, значно далі, ніж очікували. Що далі проходить світло, то більше датчиків його фіксують і то точніше вдається визначити напрямок, з якого прилетіло нейтрино.
Обсерваторію IceCube добудували 2011 року, і весь цей час науковим керівником проєкту залишався Френсіс Гальзен. Її 5160 світлових датчиків закріплені на 86 кабелях на глибині від 1450 до 2450 м.
Пошуки джерел тривають
Серед кандидатів на джерело космічних нейтрино є активна галактика M77 у сузір’ї Кита на відстані 46 млн світлових років. З її напрямку прилетіло 79 нейтрино, але цих даних поки недостатньо для остаточного висновку. Перші ознаки нейтрино високих енергій з нашої Галактики оприлюднили 2023 року. Цьогоріч колаборація IceCube повідомила, що достовірність сигналу досягла рівня, який фізики вважають відкриттям. Ці результати оприлюднені на сервері препринтів arXiv і ще не пройшли рецензування.
Нобелівську премію з фізики за дослідження нейтрино присуджують уже вп’яте. Раніше лауреатами ставали автори відкриття мюонного нейтрино, першої реєстрації цієї частинки, спостережень нейтрино від Сонця й наднової, а також нейтринних осциляцій. Цьогорічну серію нагород учора відкрила премія з медицини за оптогенетику, а 7 жовтня о 12 годині 45 хвилин за київським часом оголосять лауреатів з хімії.
Відповідь на запитання, які саме об’єкти розганяють космічні промені, шукатимуть на обсерваторії IceCube-Gen2. Вона охопить 8 км³ льоду на Південному полюсі, а паралельно будують нейтринні телескопи в Середземному морі, біля узбережжя Канади та в Південнокитайському морі.
