Нобелевский комитет по физике в 2026 году отметил Фрэнсиса Халзена за «решающий вклад» в открытие нейтрино астрофизического происхождения. Речь идет о частицах, которые почти не взаимодействуют с веществом и потому получили прозвище «призрачные посланники».
Именно благодаря проекту IceCube, установленному в антарктическом льду у Южного полюса, ученые смогли начать изучать Вселенную по-новому — не только по свету, но и по нейтрино, прилетающим из самых экстремальных и скрытых уголков космоса.
Нобелевскую премию по физике 2026 года присудили Фрэнсису Халзену за открытие высокоэнергетических нейтрино, прилетающих из космоса. Нобелевский комитет заявил, что Халзен внес «решающий вклад» в обнаружение «нейтрино астрофизического происхождения» с помощью IceCube — эксперимента, установленного подо льдом у Южного полюса.
Секретарь Генеральной ассамблеи Королевской шведской академии наук Эллен Мунс назвала эти частицы «призрачными посланниками». Это определение точно передает их природу: нейтрино почти не имеют массы и проходят сквозь твердые объекты почти без взаимодействия. По оценкам ученых, каждую секунду через тело любого человека на Земле проходят миллиарды нейтрино. Большинство из них прилетают от Солнца, но есть и более редкие — высокоэнергетические, приходящие из глубин Вселенной. Они примерно в миллиард раз реже солнечных нейтрино.
Источниками таких частиц могут быть, например, черные дыры в центрах далеких галактик, разгоняющие частицы до экстремальных энергий. Идея IceCube заключалась в том, чтобы использовать антарктический лед как прозрачную естественную среду, способную уловить слабые вспышки от этих частиц. В эксперименте задействованы тысячи датчиков, размещенных под поверхностью Антарктиды на объеме около одного кубического километра.
Глава нобелевского комитета по физике Марк Пирс объяснил значение работы Халзена так: «У нейтрино такие необычные свойства: то, что оно очень редко взаимодействует с веществом — и в данном случае это способ приносить нам информацию о далеких космических источниках, которую мы не можем получить иным путем».
Большая часть наших знаний о Вселенной основана на свете. Но некоторые из самых экстремальных ее областей скрывают свои секреты от света полностью. Высокоэнергетические нейтрино дают ученым еще один способ заглянуть туда, куда обычная астрономия не добирается.
Халзен, работающий в Университете Висконсин–Мэдисон в США, помог превратить эти неуловимые частицы в новый инструмент астрономии. Нейтрино настолько слабо взаимодействуют с веществом, что могут проходить через звезды, галактики и даже целые планеты почти без помех. Именно поэтому их так трудно обнаружить — и именно поэтому они особенно ценны как посланники из космоса.
Проблема в том, что высокоэнергетические нейтрино, прилетающие из-за пределов Солнечной системы, встречаются крайне редко. Чтобы уловить достаточное количество таких частиц, физикам нужен детектор колоссального масштаба — примерно кубический километр. В 1988 году Халзен предложил смелое решение: использовать сам антарктический лед.
Глубоко под Южным полюсом лед необычайно прозрачен. Ученые бурят в нем узкие скважины и опускают длинные гирлянды световых датчиков более чем на километр ниже поверхности. Когда скважины снова замерзают, датчики оказываются вмороженными в гигантский естественный детектор.
Большинство нейтрино проходят прямо через Землю и IceCube, не оставляя следа. Но иногда нейтрино сталкивается с веществом в льду или рядом с ним и рождает заряженную частицу, например мюон. Этот мюон может двигаться через лед быстрее, чем свет распространяется в самом льду, и тогда возникает слабое синее свечение, известное как черенковское излучение. Это не нарушает предельную скорость света: в вакууме свет движется быстрее, чем во льду.
Измеряя время и рисунок этого свечения с помощью множества погруженных датчиков, IceCube восстанавливает траекторию мюона и определяет направление, откуда пришло исходное нейтрино. По сути, мюон оставляет в льду светящийся след, по которому ученые могут вернуться к источнику частицы на небе.
В 2013 году IceCube сообщил о первых убедительных свидетельствах существования потока сверхвысокоэнергетических нейтрино, приходящих из-за пределов Солнечной системы. Это стало крупным прорывом, потому что нейтрино ведут себя совсем иначе, чем другие частицы космического происхождения. Например, космические лучи заряжены электрически, а значит, их траектории искривляются магнитными полями. К моменту, когда они достигают Земли, понять их происхождение бывает очень трудно.
Нейтрино электрического заряда не имеют. Они летят почти по прямой линии, поэтому направление их прихода может указать на источник. Кроме того, они способны вырываться из плотных областей, где свет может быть поглощен или рассеян. Это открывает новое окно в самые бурные области Вселенной — в том числе в окрестности сверхмассивных черных дыр и других мощных космических ускорителей частиц.
Этот прорыв также помог сформировать то, что сегодня называют мульти-мессенджерной астрономией: более полную картину Вселенной строят, объединяя разные космические сигналы — свет, гравитационные волны, космические лучи и нейтрино. Каждый из них несет свою часть информации.
Нейтрино уже не впервые попадают в поле зрения Нобелевского комитета. За последние десятилетия премии присуждали за их обнаружение, открытие разных типов нейтрино, регистрацию космических нейтрино и за установление того, что нейтрино осциллируют, а значит, имеют массу. Работа Халзена добавляет новую главу: теперь нейтрино используют не просто как частицы для изучения, а как посланников, с помощью которых можно заниматься астрономией.
Поскольку нейтрино способны преодолевать огромные расстояния и проходить через вещество почти без помех, ученые даже рассуждали о том, могут ли они когда-нибудь использоваться для связи на межзвездных расстояниях. Но это остается чисто гипотетической идеей: IceCube регистрирует нейтрино, рожденные естественными астрофизическими процессами, а не сообщения от внеземных цивилизаций.
В этой истории есть ирония: нейтрино полезны именно потому, что их так трудно поймать. Их нежелание взаимодействовать с веществом позволяет им пересекать космические расстояния почти без изменений. А детектор, который сделал эту новую астрономию возможной, и не должен был быть создан из кубического километра искусственного материала. Халзен понял, что природа уже предоставила его под Южным полюсом — в виде антарктического льда.
Так называемые «частицы-призраки» стали удивительным инструментом для изучения самых энергичных — и одновременно скрытых — областей Вселенной.
