За что в 2026 году дали Нобелевскую премию по физике
В 1989 году Фрэнсису Хальцену (Francis Halzen), профессору-теоретику Висконсинского университета в Мадисоне, неожиданно позвонили из Национального научного фонда (ННФ) США. Звонивший представился директором Циммерманом, который курирует полярное бурение в Антарктиде, и пожаловался на двоих молодых аспирантов. Те нанялись бурильщиками в антарктическую экспедицию по исследованию движения ледников в Западной Антарктиде за средства ННФ, но, оказавшись на месте, пытались несанкционированно опустить в скважину фотоумножители и провести собственный эксперимент, за чем и были пойманы. В фонде были уверены, что организовал эту авантюру именно Хальцен — соавтор прошлогодней статьи по обнаружению высокоэнергичных нейтрино с помощью черенковского излучения продуктов их взаимодействия с полярным льдом.
Профессор, однако, впервые слышал об этих аспирантах и о самой экспедиции. Пытаясь объясниться, он стал пояснять Циммерману содержание своей работы — и через десять минут разговора собеседник, увлекшись рассказом Хальцена и позабыв про первоначальное раздражение, даже пригласил физика в свой офис, чтобы обсудить финансирование для его идеи. Так началась история будущего эксперимента IceCube, который спустя почти 40 лет принес Хальцену Нобелевскую премию по физике. Что именно в работах Хальцена смогло оставить неравнодушным так много исследователей — от пары аспирантов, решившихся на далекое путешествие ради нелегального эксперимента, до членов Нобелевского комитета?
Хальцена едва ли можно назвать изобретателем телескопа для поиска высокоэнергичных астрофизических нейтрино. Принципиальную идею такого инструмента предложил и подкрепил расчетами советский физик Моисей Марков еще в начале 60-х годов XX века. Суть идеи Маркова была в том, что при прохождении через вещество нейтрино могут рождать вторичные высокоэнергичные заряженные частицы, которые, в свою очередь, испускают черенковское излучение. Если расположить детекторы такого излучения в большом естественном водоеме, то можно решить сразу две проблемы разом: во-первых, благодаря прозрачности среды не нужно особенно заботиться о поглощении черенковского излучения по дороге до приборов, а во-вторых, большой объем водоема позволяет компенсировать низкую плотность потока событий и дает надежду обнаружить достаточно много событий за типичное время безотказной работы крупного эксперимента.
Уже к началу 80-х годов началась работа над проектами первых подводных нейтринных телескопов на основе регистрации черенковского излучения в оптическом диапазоне. Возле Гавайских островов планировалось развернуть установку DUMAND (глубоководный детектор мюонов и нейтрино, Deep Underwater Muon And Neutrino Detector), которой так и не суждено было заработать в полную силу, тогда как на другом конце планеты физики уже опускали первые гирлянды фотоумножителей в воды озера Байкал, работая над будущим нейтринным телескопом НТ — предшественником современного Baikal-GVD (подробнее об этом можно почитать в материале «Кто стрелял?»).
Параллельно во второй половине 80-х на советской антарктической станции «Восток» физики изучали альтернативную возможность обнаружения астрофизических нейтрино. На прототипе радиоволнового мюонного и нейтринного детектора (РАМИНД) они ожидали зарегистрировать тот же черенковский сигнал, но уже не в оптическом, а в радиоволновом диапазоне — при помощи антенн.
Хальцен в те годы тесно общался с гавайскими теоретиками, поэтому неплохо знал о том, как обстоят дела у проекта DUMAND, и одновременно работал вместе с Энрике Засом (Enrique Zas), который на тот момент был постдоком в Мадисоне, над теоретической оценкой мощности радиосигнала при взаимодействии нейтрино со льдом. Как признавался позже сам ученый, «объединить эти две идеи было не слишком сложно» — так родилась концепция установки на основе оптических модулей, погруженных в антарктический лед в окрестности Южного полюса, которую Хальцен и его более сведущий в устройстве детекторов коллега Джон Лернед (John Learned) опубликовали в 1988 году.
Помимо простой замены воды на лед, ученые обратили внимание и на другие, чисто астрономические преимущества Южного полюса. Это место открывало круглосуточный доступ к наблюдению потенциальных нейтринных источников на северном небенейтрино от них проходят Землю насквозь и дают восходящие черенковские сигналы, а также позволяло видеть не зависящую от суточного вращения планеты картину распределения источников на небе, что упрощало статистический анализ.
Однако на тот момент для Хальцена это вовсе не было борьбой за финансирование реального прототипа. «Теоретики пишут статьи двух типов. Одни — чтобы исследовать физику, в которую они действительно верят, а другие — просто чтобы показать, насколько они умные. И мои первые работы по нейтрино определенно относились ко второй категории. У меня не было намерения этим заниматься», — иронизировал Хальцен в интервью 2014 года.
Но в планы профессора вмешались двое его читателей-аспирантов с нелегальным экспериментом и Циммерман, который по ошибке принял это мероприятие за выходку самого Хальцена и неожиданно заинтересовался проектом. На личной встрече Хальцен спросил, стоит ли ему подать в ННФ заявку на финансирование для нейтринного телескопа. «Это полное безумие, если вы подадите заявку, ее ни за что не одобрят, — отрезал Циммерман, — вместо этого мы выделим вам деньги другим способом». Речь шла о «специальном гранте на поисковые исследования» — особенной программе ННФ для проектов с высоким уровнем риска.
Так теоретик неожиданно для себя оказался во главе новообразованной экспериментальной группы по сооружению нейтринного детектора на Южном полюсе. Проект получил название Антарктического массива детекторов мюонов и нейтрино — AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array).
Первая легальная проверка идеи Хальцена на практике прошла уже в 1990 году, но на почти диаметрально противоположном конце планеты — в Гренландии. В ходе эксперимента ученым удалось зарегистрировать черенковское излучение от мюонов.
Кроме того, оказалось, что полярный лед прозрачнее, чем следовало из более ранних справочных данных: вместо ожидаемой длины поглощения около восьми метров эксперимент давал не меньше 18. Позже Хальцен даже шутил, что всегда советует студентам «не читать слишком много книг, а действовать»: если бы он тогда внимательно изучил литературу, то узнал бы про те самые восемь метров и наверняка решил бы, что строить ледяной телескоп вообще нецелесообразно — проект бы даже не начался.
Между тем, успешные результаты пилотных измерений опубликовали в Nature, и они стали обоснованием для начала работы над полномасштабным детектором — теперь уже на изначально запланированном месте, в Антарктиде. Со временем выяснилось, что там прозрачность льда еще выше: благодаря местным природным особенностям, черенковский свет мог проходить в антарктическом льду свыше 100 метров без существенного поглощенияв зависимости от глубины и длины волны излучения — на порядок лучше, чем ожидалось ранее. Позже Хальцен даже назвал эту невероятную прозрачность льда главным инновационным прорывом всего проекта, за который команда была обязана самой природе, а не инженерной мысли. И в шутку добавлял, что отдельное время ушло на то, чтобы убедить в том, что они не ошиблись, профильных специалистов — гляциологов. По его словам, пришлось даже публиковать результаты в Science, поскольку гляциологические журналы никогда бы не приняли подобную статью от физиков.
Но одной только прозрачности было еще мало. Уже в первоначальном проекте Хальцен и Лернед отмечали, что верхние слои льда заполнены пузырьками воздуха, которые рассеивают черенковский свет. В результате сигнал хуже связан с направлением первоначального нейтрино — а значит, отбирать события по направлению прихода, что жизненно важно для телескопа, становится гораздо сложнее.
Решение этой проблемы, впрочем, тоже было известно заранее: нужно было бурить глубже, поскольку под давлением пузырьки постепенно исчезают. Справочные материалы сообщали, что пузырьки не могут находиться глубже 400 метров — но после истории с поглощением доверия к ним уже не было, и группа Хальцена проделала собственные вычисления. Расчетная граница оказалась на километр глубже, и гирлянды фотоумножителей пришлось спустить под лед на диапазон глубин между полутора и двумя километрами.
Ко второй половине девяностых AMANDA уже стала работать как настоящий нейтринный телескоп, дополнив водную установку на Байкале. Однако высокоэнергичные нейтринные события астрофизического происхождения не удавалось достоверно выделить на фоне огромного количества нейтрино схожих энергий, рождавшихся в атмосфере Земли под воздействием космических лучей: вклад внеземных источников оказывался неотличимым от флуктуаций этого фона. С текущим размером установки коллаборации оставалось только публиковать верхние ограничения на астрофизический потокПри большом вкладе от нейтрино внеземного происхождения наблюдаемое согласие между теоретической моделью атмосферного фона и реальными измерениями исчезло бы — поэтому из данных следовало, что средний вклад астрофизических нейтрино в полный поток не превосходит некоторого верхнего порога с заданной вероятностью..
Чтобы получить достаточно событий и попытаться наконец выделить внеземной сигнал на фоне атмосферных нейтрино, требовалось увеличить объем, охватываемый гирляндами с фотоумножителями, примерно до кубического километра — за счет этого появлялась надежда компенсировать проблему с низким потоком астрофизических событий.
Теперь речь шла уже не о сравнительно дешевой проверке рискованной идеи за средства специального гранта, а о строительстве огромной обсерватории стоимостью в сотни миллионов долларов. И большую часть приборов на этой обсерватории после установки практически невозможно было бы ни достать изо льда, ни починить.
Хальцен вполне осознавал тот уровень ответственности и риска, к которому привела его поначалу чисто теоретическая идея. Перед заявкой на финансирование ННФ он даже хотел оставить обязанности руководителя проекта, понимая, что здесь требуется руководство «надежного экспериментатора». Но ННФ настаивал на руководстве Хальцена — либо он, либо проекту не суждено сбыться.
Усилия для изготовления полноразмерного телескопа нужны были по-настоящему титанические. Сначала при помощи сверла с циркулирующей горячей водой бурили пятидесятиметровую скважину, чтобы погрузиться под поверхностный слой плотного снега и добраться до льда. Затем растапливали лед: при помощи длинных шлангов с горячей водой под высоким давлением88 градусов по Цельсию, 75 атмосфер работники бурили вертикальные колодцы глубиной в два с половиной километрапричем первые полтора из них — просто для того, чтобы спуститься ниже пузырьков и побороть рассеяние. Наконец, вглубь отверстия опускали гирлянду с фотоумножителями, и все снова замерзало. Тепловая мощность, необходимая для такого бурения, составляла почти пять мегаватт — этого хватило бы для отопления небольшого жилого квартала.
За вторую половину нулевых годов было установлено 86 гирлянд, и в 2011 году когда-то казавшийся фантазией теоретика телескоп IceCube был, наконец, воплощен и заработал в полную силу. Но гарантий все еще не было: поскольку ранее в высокоэнергичном диапазоне были получены только верхние ограничения на поток астрофизических нейтрино, не было ясно, сыграет ли ставка на большой объем, или нейтринное небо опять окажется недостаточно ярким на фоне атмосферной «засветки».
К счастью, результат не заставил себя долго ждать. Статью о первых двух кандидатах в астрофизические нейтрино коллаборация опубликовала уже летом 2013 года. Это были два высокоэнергичных события (оба порядка петаэлектронвольта), которые IceCube обнаружил уже во время полноценной работы — в августе 2011 и январе 2012 года. Заявлять об открытии было рано: вероятность случайно обнаружить тот же эффект из-за удачных флуктуаций в атмосферных событиях составляла около 0,3 процента, что не дотягивает до традиционного порога достоверности. Однако свойства найденных сигналов не позволяли правдоподобно отнести их к событиям атмосферного происхождения, и это уже было указанием на открытие.
В ноябре 2013 года в Science вышел более обширный анализ данных, собранных детектором за 2010–2012 годы. К ранее найденным двум высокоэнергичным событиям добавилось еще 26, притом что средний атмосферный фон в этой области энергий давал примерно 11 ожидаемых событий. Это уже было гораздо серьезнее, чем два кандидата: уровень значимости превысил четыре стандартных отклонения. Еще спустя год коллаборационный анализ расширили на данные 2012–2013 годов. Полное число кандидатов выросло до 37, а значимость — впервые превысила пять стандартных отклонений, что, наконец, позволило заявить о достоверном открытии внеземной компоненты нейтринного потока.
Но нейтринное небо, которое наконец открылось перед взором IceCube, оставалось расплывчатым: анализ пока не позволял выделить конкретные области неба, из которых преимущественно приходят «избыточные» по отношению к атмосферным нейтрино высокоэнергичные частицы, и определить их источники. По своим результатам установка пока больше походила на детектор, чем на полноценный телескоп.
На решение этой проблемы ушло еще несколько лет, однако уже в 2018 году коллаборация рассказала о первом «увиденном» в высокоэнергичном нейтринном канале источнике на небе: это оказался блазар — активное ядро галактики, чей джет нацелен почти по направлению к Земле. Первоначально на открытие физиков натолкнуло всего одно нейтринное событие, которое пришло с направления блазара как раз во время его заметной гамма-активности, но затем оказалось, что заметный избыток событий регистрировался с этого направления и вне вспышки. В этом открытии IceCube проявил себя уже в роли полноценного телескопа: ассоциация с таким источником дала независимый нейтринный аргумент в пользу рождения космических лучей высоких энергий в активных ядрах галактик.
Следующее ключевое нейтринно-астрономическое открытие по данным IceCube совершили российские астрофизики в 2022 году. По угловому распределению высокоэнергичных астрофизических нейтрино им удалось выделить статистически значимый вклад в засветку нейтринного неба в плоскости диска Млечного Пути — то есть, по сути, выделить Галактическую компоненту в общем внеземном потоке. Немногим позже этот результат подтвердился и в коллаборационном анализе самого телескопа.
Сегодня IceCube как нейтринный телескоп уже не единственный в своем диапазоне энергий. Нейтринная астрономия бурно развивается, и к его деятельности уже присоединились водные коллеги — российский Baikal-GVD и средиземноморский KM3NeT. Известны их первые заметные научные результаты: подтверждение астрофизической, а затем и галактической компонент потока нейтрино от Байкальской коллаборации, а также аномальное нейтринное событие рекордно высокой энергии, зарегистрированное на KM3NeT.
История IceCube едва ли похожа на последовательное воплощение заранее составленного и продуманного плана Хальцена. Он не открыл черенковское излучение и не первым предложил использовать естественную среду для регистрации нейтрино — Хальцен лишь написал теоретическую статью, которую поначалу и не думал превращать в эксперимент. Затем большую роль сыграл ННФ США, который проспонсировал рискованный проект и не слишком вмешивался в детали его управления. Усилия на непосредственное создание телескопа при этом были распределены по огромному международному коллективу: кто-то пол-десятилетия бурил скважиныЛюбопытно, что сам Хальцен за время строительства телескопа даже ни разу не был в Антарктиде: вместимость полярной станции была слишком ограничена, чтобы растрачивать ценные койко-места, и профессор контролировал оборудование лишь перед отправкой на Южный полюс., а кто-то обрабатывал огромные массивы данных. Многое для успеха сделала и сама природа, предоставив ученым неожиданно прозрачный лед и достаточно яркое нейтринное небо.
Но в конечном счете именно Хальцен собрал вокруг рискованного замысла большую международную команду. Взяв на себя огромную ответственность руководителя, он смог довести амбициозную идею до результата, который на протяжении десятилетий до него оставался лишь предметом теоретических расчетов.
Наконец, Нобелевская премия Хальцену — это в некотором смысле аванс для целой молодой области астрономии. Конечно, сами внеземные нейтрино физики наблюдали и задолго до IceCube: достаточно вспомнить солнечные нейтрино или вспышку сверхновой 1987A. Однако в диапазоне высоких энергий нейтринное небо оставалось недоступным, и IceCube — первая установка, которая решила эту проблему.
До подробной карты высокоэнергичного нейтринного неба еще далеко, и в этой области остается много нерешенных проблем: мы все еще не вполне понимаем, на какие источники смотрим. Но можно с уверенностью сказать, что уже сегодня нейтринные телескопы дополняют и обогащают данные других инструментов многоканальной астрономии, и самые интересные результаты этого сотрудничества еще впереди.