Цього року Нобелівська премія з фізики дісталася американському фахівцю з елементарних частинок Фенсісу Гальзену. Його нагороджено за роботи, які дозволили збудувати детектор нейтрино IceCube. Але чому ця тема така важлива? Про це читайте у статті.
Нобелівська премія за нейтрино
6 жовтня Нобелівський комітет оголосив, що найпрестижніша наукова премія з фізики за 2026 рік дістається Френсісу Гальзену. Як вказано у повідомленні, нагородили його за вирішальний внесок у створення нейтринної обсерваторії IceCube та відкриття нейтрино високих енергій астрофізичного походження.
Щоб зрозуміти, чому цей детектор такий важливий, треба вдатися до поетапних пояснень. Взагалі нейтрино — одна з найзагадковіших елементарних частинок. Докладно про неї ми вже розповідали тут.
Якщо ж коротко, то ця крихітна частинка є результатом бета-розпаду нейтрона і ще кількох високоенергетичних реакцій. Сама вона при цьому заряду немає, тому в електромагнітну взаємодію не вступає. Як наслідок — виявити її за допомогою методів, які працюють в інших випадках (через відхилення магнітними полями чи через зіткнення) неможливо.
Іншою важливою характеристикою нейтрино є їхня маса, яка майже дорівнює нулю. Хтось може сказати, що у фізиці так не буває: маса або є, або її немає. Проте у випадку із цією крихітною частинкою вона складає лише 0,28 еВ, і це настільки мало, що починають діяти квантові ефекти.
Зокрема, насправді означена цифра — це суперпозиція трьох квантових станів. Нейтрино як той кіт Шредінгера: одночасно є однією частинкою і трьома різними, кожна зі своєю масою і властивостями. І у якому з цих світів вона себе проявить під час взаємодії з речовиною, залежить від умов спостереження і того, що вона пережила на своєму шляху.
Проблема лише в тому, що сама по собі така взаємодія відбувається вкрай рідко. Але коли це стається, то кожен тип нейтрино породжує свій лептон: електрон, мюон чи тау. І ось їх вже можна достатньо легко відстежити завдяки фотонам, які вони породжують.
Магазин від Universe Space Tech
Журнал Астероїди і Комети №1 2026 (194)
До товару
Френсіс Гальзен
І ось тут варто згадати Френсіса Гальзена. Народився він 1944 року у Бельгії, там же здобув освіту фізика. Потім працював у європейському ядерному центрі CERN, а 1972-го перебрався до американського Університету Вісконсину у Медісоні, відтоді там і працює.
Усе життя Гальзен займається космічними променями. Так називають усю сукупність елементарних частинок, що залітають до нас із космосу. Точніше, це фотони, електрони, альфа-частинки, а інколи й нейтрони з протонами, а також нейтрино летять крізь космос, а ось, наприклад, мюони й частина електронів можуть народжуватися у верхніх шарах атмосфери під час взаємодії з молекулами газів, що їх складають.
Усі ці частинки потенційно несуть інформацію про далекі астрономічні об’єкти, але саме нейтрино залишаються найзагадковішими через те, що їх практично неможливо впіймати. При цьому завдяки осциляціям вони можуть надати більше інформації про те, де народилися (наприклад, про оточення якоїсь чорної діри).
Основний напрям пошуків у цій галузі вчені розробили ще до Гальзена. Найкраще для цього підходить велика кількість води: проходячи крізь неї, електрони, мюони та тау-частинки, породжені нейтрино, створюють потоки вторинних частинок, які можна зареєструвати. Тому перші детектори цих невловимих частинок розміщували на дні затоплених шахт.
Заслуга Гальзена полягає в тому, що він перший здогадався, що можна розмістити детектори фотонів та інших частинок безпосередньо в антарктичній кризі. Тоді буде багато зіткнень і багато сигналів, які можна аналізувати.
У 1990-х роках біля Південного полюса почали бурити прямо у кризі глибокі свердловини та опускати в них нитки з фотодетекторами. Загалом було 677 детекторів, змонтованих на 19 окремих нитках, які разом утворювали циліндричну структуру. Усе разом це називалося Antarctic Muon And Neutrino Detector Array (AMANDA) і було здатне не лише реєструвати нейтрино за вторинним випромінюванням, але й завдяки тому, що фотони від однієї події потрапляли на різні детектори з певного боку, визначати положення джерела з точністю до 2 градусів.
AMANDA запустили 1996 року, працював він до 2005-го і за цей час показав, що небесні джерела нейтрино дійсно можна точно локалізовувати та вивчати. Проте в цей час уже будувався його наступник — IceCube, за внесок у створення якого Гальзен і отримав Нобелівську премію.
Детектор IceCube
IceCube почали будувати 2005 року, а 2010-го він вже запрацював. Цей науковий інструмент заснований на тій самій конструкції, що й AMANDA: детектори на кабелях, що висять у шахтах всередині крижаного щита Антарктиди.
Змінився тільки масштаб. IceCube фактично складається з трьох частин: верхньої секції з 81 станції, яка заглиблена у кригу не більш як на 50 м, основного масиву, який являє собою 86 ниток, які простягнулися від поверхні до глибини 2450 м, яка включає особливу глибинну частину.
У верхній частині розміщені загалом 324 оптичні сенсори. Основний масив до глибини у 1450 м являє собою просто кабелі, самі сенсори розташовані між відмітками 1450 і 2450 м. Загалом їх там 5160. Шість струн глибинної частини містить ще 480 сенсорів, оптимізованих для роботи на великій глибині.
Основним завданням IceCube є вивчення джерел нейтрино. Однак його конструкція дозволяє вивчати й інші події, такі як зіткнення протонів із протонами чи фотонами. Вони породжують такі частинки як пі-мезони, а ті розпадаються на мюони та мюонне нейтрино і саме їх цей пристрій може непогано досліджувати. Таким чином він може досліджувати найбільш потужні спалахи наднових та інші подібні події.
Важливий він і для фізиків. Адже дозволяє вивчати самі нейтринні осциляції, в яких досі багато незрозумілого. Крім того, деякі моделі темної матерії містять положення, які він здатний перевірити.
IceCube потенційно може допомогти перевірити деякі теоретичні моделі, зокрема ті, що передбачають існування додаткового, стерильного нейтрино або нових типів нейтринних осциляцій. Причому таких частинок теоретично може бути й більше однієї.
Уже на початку своєї роботи IceCube зробив кілька важливих відкриттів. Одне з них стосувалося нашого Місяця. Загалом нейтрино переважно пролітають крізь небесні тіла наскрізь. Але частина з них усе ж взаємодіє з речовиною, і науковці змогли не лише показати, що Місяць поглинає частину нейтрино, а й оцінити масштаб цього ефекту.
Іншою важливою віхою стало відкриття позасонячних нейтрино. Річ у тім, що саме наше світило є джерелом більшості цих частинок, причому воно продукує переважно електронні нейтрино. IceCube же зміг знайти й ті, що прилетіли до нас із дальнього космосу.
Головними ж результатами роботи IceCube за 16 років є виявлення дійсно високоенергетичних нейтрино. Наприклад, 22 вересня 2017 року він виявив частинку з енергією 290 ТеВ. З’ясувалося, що вона прилетіла до нас від блазара TXS 0506+056. Ці об’єкти являють собою надмасивні діри в центрах галактик, які не лише активно поглинають речовину, а й розташовані так, що релятивістські струмені, що б’ють з полюсів, спрямовані в наш бік.
У лютому 2021 року детектор виявив джерело нейтрино, яке було ідентифіковане як подія припливного руйнування AT2019fdr. Якась зоря необережно наблизилася до чорної діри, була розірвана нею на шматки, й це породило потік примарних частинок.
У 2023 році IceCube виявив, що сама галактична площина нашої Галактики дуже рідко, але все ж породжує високоенергетичні нейтрино. Який процес за цим стоїть, науковці досі не впевнені.
Дослідження тривають, і саме за можливість їх проводити Френсіс Гальзен і отримав Нобелівську премію.
