Как нобелевского лауреата по физике 2026 года вдохновила идея советского ученого почти 70-летней давности. История открытия нейтрино — удивительных частиц из далекого космоса, обладающих невероятной энергией
0
Нобелевскую премию по физике в 2026 году присудили бельгийцу Фрэнсису Хальцену — за «решающий вклад в работу нейтринной обсерватории IceCube и открытие высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения». Нейтрино долгое время считались частицами почти неуловимыми, особенно те, что прилетают из далекого космоса. На Земле сложность с поиском космических источников нейтрино усугубляется еще и тем, что подавляющее большинство частиц приходит из Солнца или рождается в магнитном поле планеты. И все-таки найти такие нейтрино удалось благодаря удивительному по масштабу проекту, придуманному советским физиком Моисеем Марковым еще в 1960-х и реализованным в последние десятилетия Хальценом. Это IceCube — обсерватория в Антарктиде, находящаяся в самой толще полярного льда. Что нужно знать об истории проекта? Как устроен детектор космических нейтрино? И что вообще может дать исследование этих частиц?
Советский след в Нобеле-2026: как идея Моисея Маркова покорила мировую физикуКак и с самой физикой, с популярными текстами по этой науке на русском все сильно лучше, чем с другими нобелевскими дисциплинами — биологией и химией. Поэтому и про нейтрино, и про конкретно нейтринную обсерваторию IceCube, детище нынешнего лауреата Франсиса Хальцена, есть уже много глубоких материалов, написанных настоящими специалистами. К ним сложно добавить что-то новое — поэтому именно с них имеет смысл начать.
Прежде всего читателю повезло в том, что несколько лет назад на русский была переведена книга Марка Боуэна «Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия». Она посвящена истории этого удивительного проекта, задуманного и воплощенного усилиями Хальцена. Книга, написанная в 2017 году, уже изрядно устарела, но только в плане нейтринных «находок» (современная физика движется быстро). То главное, что в ней рассказано, — история Хальцена и его детища — по-прежнему остается верным и увлекательным.
Надледная часть нейтринной обсерватории IceCube в Антарктиде. Под ней на глубине около полутора километров расположены 5160 детекторов, висящих на 86 отдельных кабелях. Информация с детекторов отправляется для анализа по спутниковой связи
Christopher Michel / Wikimedia Commons
О том, что такое нейтрино вообще и как космические нейтрино ищут в России, в глубине Байкала, нашим читателям в 2021 году
подробно рассказывали физики из Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований Дмитрий Наумов и Игорь Иванов. Тот текст был сосредоточен на аналоге IceCube — байкальской нейтринной обсерватории Baikal-GVD. Интересно, что это одна из тех редких точек, где российская наука является не догоняющей, а вполне дополняющей мировую.
Baikal-GVD расположен в другом полушарии относительно IceCube и работает не во льду, а в воде. И это, на самом деле, не вынужденная мера (хотя, конечно, работать на Байкале проще, чем в Антарктиде), а большая ценность. Ведь данные, полученные двумя установка, дополняют друг друга: расположение на другом конце Земли позволяет точнее вычислять положение источника прилетающих к нам частиц, а работа детекторов в воде имеет большую точность по сравнению со льдом, где свет проще рассеивается.
Вообще, российский (а на самом деле — советский) след в нынешней премии вполне очевидный. Дело не только в том, что в СССР похожий нейтринный телескоп начали создавать еще в начале 1980-х. Важнее, что саму идею искать следы нейтрино в больших естественных объемах воды или льда вроде озер или морей (в противоположность созданию чисто лабораторных детекторов, которые тоже существуют) предложил советский физик — академик Моисей Марков.
Погружение в воду оптических детекторов в нейтринной обсерватории на Байкале. В отличие от ICeCube, детекторы Baikal-GVD не вморожены в лед, а плавают в толще жидкой воды, будучи закрепленными на дне озера
Баир Шайбонов / Baikal-GVD
Случилось это еще в 1960 году на конференции в Рочестере. И это не тот случай, когда мысль, пришедшая одинокому советскому ученому и описанная в малоизвестном журнале, много лет спустя была переоткрыта на Западе. Нет, Марков выступил со своей идеей в Рочестере — и многие западные физики тотчас же ее оценили и ей загорелись. В том числе Франсис Хальцен. Вот что сам лауреат писал об этом моменте:
Что такое нейтрино и зачем его искать?«Нейтрино входило в круг элементарных частиц неуверенно и робко» — писал в своей монографии 1964 года Моисей Марков. — В течение ряда лет не было ясности, представляет ли собой нейтрино реальную частицу или является теоретическим понятием, удачно количественно формулирующим исчезновение в различных реакциях энергии и момента количества движения».
В переводе с физически-лирического на более бытовой и современный язык это означает, что нейтрино физики сначала просто выдумали. Выдумали как способ спасти закон сохранения энергии в некоторых процессах радиоактивного распада, когда видели образование электронов. По законам сохранения последние должны были быть строго определенных энергий — но так почему-то не получалось: набор энергий у электронов был сплошным, а не прерывистым. И тогда, как теперь считается, австро-немецкий физик Вольфганг Паули предположил, что вместе с электроном в таких распадах возникает некая гипотетическая частица, уносящая часть энергии и момента движения.
Закон сохранения энергии таким образом был спасен, но большой ценой: «выдуманная» частица должна была не иметь заряда, массы и вообще почти ни с чем не взаимодействовать. То есть доказать, что она вообще существует, было на тот момент практически невозможно — что, конечно, не могло не смущать физиков, которые таких неосязаемых вещей не любят.
Главное и определяющее свойство нейтрино, в котором вся его сила и вся его слабость как инструмента для изучения мира, — то, что частица участвует только в так называемом слабом взаимодействии. Гравитация тоже на него действует, но настолько незначительно, что этим часто можно просто пренебречь. Слабое взаимодействие (одно из четырех фундаментальных взаимодействий — наряду с сильным, электромагнитным, и гравитацией) отличается тем, что действует на очень коротком расстоянии — меньшем, чем не то что атомы, но и атомные ядра.
Одна из самых впечатляющих нейтринных обсерваторий в мире — японская Камиока. Она представляет собой огромную цилиндрическую искусственную пещеру, по стенам которой расположены оптические детекторы. Для обслуживания детекторов инженерам приходится плавать в пещере на лодке
Kamioka Observatory
Часто нейтрино описывают как некие легкие, почти воздушные частицы, которые проходят сквозь материю подобно бестелесным ангелам. Но это не совсем верное описание. Действительно, каждую секунду через каждый квадратный сантиметр нашего тела проходит под 65 миллиардов нейтрино, а мы этого даже не замечаем. Но происходит так вовсе не потому, что эти частицы очень легкие.
Хотя до сих пор масса покоя нейтрино точно не известна (и это еще одно удивительное свойство этих частиц), общая энергия из-за огромной скорости может быть сопоставима с энергией удара теннисным мячом. Если такое нейтрино почему-то решит провзаимодействовать с вами, вы точно это заметите. Просто вероятность такого события исчезающе мала — для него нужно очень точное, выверенное до долей фемтометров
попадание в подходящее атомное ядро. Только тогда у нейтрино появится шанс провзаимодействовать и выбросить энергию в конечной точке своего пути. То, что с людьми этого никогда не происходит, говорит не о том, какие нейтрино легкие и бестелесные, а скорее о том, что люди (как и вообще видимая материя) состоят прежде всего из пустоты.
Как же тогда удалось доказать, то нейтрино все-таки существуют, да еще и построить их детекторы? Как можно догадаться, даже очень редкие события можно зафиксировать, если дать им достаточно шансов произойти. Для нейтрино это означает попасть в среду, где будет возможно взаимодействие с рождением других, более осязаемых частиц — и это рождение можно будет зафиксировать. Даже в детекторах само по себе нейтрино остается невидимым, а то, что удается детектировать — это образующиеся при взаимодействии электрон или другая заряженная частица с большей массой (мюон).
Баксанская нейтринная обсерватория
Дальше начинается уже та физика, с которой мы более-менее знакомы: заряженные электроны и мюоны, движущиеся с огромными скоростями в такой среде, как вода, начинают испускать так называемое черенковское излучение. Оно подобно ударной волне от сверхзвукового самолета в воздухе и возникает при движении частицы со скоростью, превышающей скорость света в данной среде — например, в воде (скорость света в вакууме по-прежнему недостижима, все в порядке!).
Черенковское излучение — это эффект, который заставляет водные резервуары атомных реакторов светиться бледно-голубым светом. И фактически все, что делают детекторы нейтрино вроде IceCube и Baikal-GVD, — это регистрация вспышек такого излучения.
Конечно, в таком описании все звучит слишком просто, но на деле главная забота физиков, занимающихся нейтрино, — борьба с постоянным шумом от бесконечного потока других частиц, которые тоже вызывают черенковское излучение, регистрируемое детекторами, но нейтрино не являются. Или являются ими, но приходят из других источников: из тех же атомных реакторов, из центра Земли, где идут процессы радиоактивного распада, из центра Солнца (это главный источник шума) или из космоса.
Лекция Дмитрия Горбунова о нейтрино вообще и об исследованиях космических нейтрино в частности для проекта N + Offline
Энка
Но космические нейтрино бывают разные. Часть из них (по количеству — подавляющяя) возникает вблизи Земли, их источник — это распад прилетевших в орбиту магнитного поля планеты протонов. Они, конечно, тоже нейтрино — но не те, что интересны большинству физиков и астрономов.
Гораздо интереснее те частицы, что были рождены за пределами нашей Солнечной системы — а лучше вообще за пределами галактики. Их гораздо, принципиально меньше, чем нейтрино из других источников, но только они могут быть крайне высоких энергий — в сотни тераэлектронвольт. Никакие земные процессы частицы таких энергий произвести не могут, а вот остатки сверхновых или центры квазаров — вполне способны. Такие события случаются не так уж часто, а некоторые — например, недавнее обнаружение нейтрино энергией в 120 петаэлектронвольт на глубоководном телескопе в Средиземном Море KM3NeT, — и вовсе остаются уникальными.
В каких именно процессах рождаются такие чудовищно мощные частицы, остается загадкой, и именно для изучения этого вопроса строятся и IceCube, и Baikal-GVD, и KM3NeT, и другие аналогичные детекторы. Фактически речь идет о создании новой астрономии — астрономии, в которой роль света или радиоволны играют нейтрино. Наряду с гравитационными волнами, недавно открывшими второе «окно» в небо, такие детекторы, как IceCube, пробили третье — нейтринное. И именно это открытие — в буквальном смысле — отметил в этом году Нобелевский комитет.
Советский след в Нобеле-2026: как идея Моисея Маркова покорила мировую физикуКак и с самой физикой, с популярными текстами по этой науке на русском все сильно лучше, чем с другими нобелевскими дисциплинами — биологией и химией. Поэтому и про нейтрино, и про конкретно нейтринную обсерваторию IceCube, детище нынешнего лауреата Франсиса Хальцена, есть уже много глубоких материалов, написанных настоящими специалистами. К ним сложно добавить что-то новое — поэтому именно с них имеет смысл начать.
Прежде всего читателю повезло в том, что несколько лет назад на русский была переведена книга Марка Боуэна «Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия». Она посвящена истории этого удивительного проекта, задуманного и воплощенного усилиями Хальцена. Книга, написанная в 2017 году, уже изрядно устарела, но только в плане нейтринных «находок» (современная физика движется быстро). То главное, что в ней рассказано, — история Хальцена и его детища — по-прежнему остается верным и увлекательным.
Надледная часть нейтринной обсерватории IceCube в Антарктиде. Под ней на глубине около полутора километров расположены 5160 детекторов, висящих на 86 отдельных кабелях. Информация с детекторов отправляется для анализа по спутниковой связи
Christopher Michel / Wikimedia Commons
О том, что такое нейтрино вообще и как космические нейтрино ищут в России, в глубине Байкала, нашим читателям в 2021 году
подробно рассказывали физики из Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований Дмитрий Наумов и Игорь Иванов. Тот текст был сосредоточен на аналоге IceCube — байкальской нейтринной обсерватории Baikal-GVD. Интересно, что это одна из тех редких точек, где российская наука является не догоняющей, а вполне дополняющей мировую.
Baikal-GVD расположен в другом полушарии относительно IceCube и работает не во льду, а в воде. И это, на самом деле, не вынужденная мера (хотя, конечно, работать на Байкале проще, чем в Антарктиде), а большая ценность. Ведь данные, полученные двумя установка, дополняют друг друга: расположение на другом конце Земли позволяет точнее вычислять положение источника прилетающих к нам частиц, а работа детекторов в воде имеет большую точность по сравнению со льдом, где свет проще рассеивается.
Вообще, российский (а на самом деле — советский) след в нынешней премии вполне очевидный. Дело не только в том, что в СССР похожий нейтринный телескоп начали создавать еще в начале 1980-х. Важнее, что саму идею искать следы нейтрино в больших естественных объемах воды или льда вроде озер или морей (в противоположность созданию чисто лабораторных детекторов, которые тоже существуют) предложил советский физик — академик Моисей Марков.
Погружение в воду оптических детекторов в нейтринной обсерватории на Байкале. В отличие от ICeCube, детекторы Baikal-GVD не вморожены в лед, а плавают в толще жидкой воды, будучи закрепленными на дне озера
Баир Шайбонов / Baikal-GVD
Случилось это еще в 1960 году на конференции в Рочестере. И это не тот случай, когда мысль, пришедшая одинокому советскому ученому и описанная в малоизвестном журнале, много лет спустя была переоткрыта на Западе. Нет, Марков выступил со своей идеей в Рочестере — и многие западные физики тотчас же ее оценили и ей загорелись. В том числе Франсис Хальцен. Вот что сам лауреат писал об этом моменте:
Как устроен такой детектор [что сможет обнаружить космические нейтрино]? Об этом известно еще с 1960 года. Мне нравится вспоминать одну фотографию <…> Моисея Маркова с Бруно Понтекорво
, ведь Понтекорво придумал практически все в физике нейтрино — за исключением именно этой идеи. Эта идея принадлежала Маркову. Нужно построить черенковский
детектор. Нужно спуститься глубоко в океан или, в случае с Россией, глубоко в озеро Байкал. Там темно. И там нужно установить световые датчики, которыми заполняется куб воды объемом в один километр.
Представляем себе этот воображаемый километр и регистрируем частицы, проникающие сквозь Землю. Если частица проходит сквозь Землю, то это нейтрино. Никакие другие частицы не проникают сквозь Землю. Что делает это нейтрино? Оно проходит через детектор, и вы ничего не видите. Однако примерно в одном случае из миллиона, в интересующей нас области, где работает IceCube, нейтрино сталкивается с протоном. Тогда происходит ядерная реакция, и вода окрашивается в синий цвет, точно так же, как это происходит в ядерном реакторе <…>В этих двух абзацах, собственно, изложено все, что нужно знать о принципах работы IceCube и той идее, за которую дали Нобелевскую премию. Но попробуем все-таки распаковать это лакончиное описание начиная с самого начала — с нейтрино.
Что такое нейтрино и зачем его искать?«Нейтрино входило в круг элементарных частиц неуверенно и робко» — писал в своей монографии 1964 года Моисей Марков. — В течение ряда лет не было ясности, представляет ли собой нейтрино реальную частицу или является теоретическим понятием, удачно количественно формулирующим исчезновение в различных реакциях энергии и момента количества движения».
В переводе с физически-лирического на более бытовой и современный язык это означает, что нейтрино физики сначала просто выдумали. Выдумали как способ спасти закон сохранения энергии в некоторых процессах радиоактивного распада, когда видели образование электронов. По законам сохранения последние должны были быть строго определенных энергий — но так почему-то не получалось: набор энергий у электронов был сплошным, а не прерывистым. И тогда, как теперь считается, австро-немецкий физик Вольфганг Паули предположил, что вместе с электроном в таких распадах возникает некая гипотетическая частица, уносящая часть энергии и момента движения.
Закон сохранения энергии таким образом был спасен, но большой ценой: «выдуманная» частица должна была не иметь заряда, массы и вообще почти ни с чем не взаимодействовать. То есть доказать, что она вообще существует, было на тот момент практически невозможно — что, конечно, не могло не смущать физиков, которые таких неосязаемых вещей не любят.
Главное и определяющее свойство нейтрино, в котором вся его сила и вся его слабость как инструмента для изучения мира, — то, что частица участвует только в так называемом слабом взаимодействии. Гравитация тоже на него действует, но настолько незначительно, что этим часто можно просто пренебречь. Слабое взаимодействие (одно из четырех фундаментальных взаимодействий — наряду с сильным, электромагнитным, и гравитацией) отличается тем, что действует на очень коротком расстоянии — меньшем, чем не то что атомы, но и атомные ядра.
Одна из самых впечатляющих нейтринных обсерваторий в мире — японская Камиока. Она представляет собой огромную цилиндрическую искусственную пещеру, по стенам которой расположены оптические детекторы. Для обслуживания детекторов инженерам приходится плавать в пещере на лодке
Kamioka Observatory
Часто нейтрино описывают как некие легкие, почти воздушные частицы, которые проходят сквозь материю подобно бестелесным ангелам. Но это не совсем верное описание. Действительно, каждую секунду через каждый квадратный сантиметр нашего тела проходит под 65 миллиардов нейтрино, а мы этого даже не замечаем. Но происходит так вовсе не потому, что эти частицы очень легкие.
Хотя до сих пор масса покоя нейтрино точно не известна (и это еще одно удивительное свойство этих частиц), общая энергия из-за огромной скорости может быть сопоставима с энергией удара теннисным мячом. Если такое нейтрино почему-то решит провзаимодействовать с вами, вы точно это заметите. Просто вероятность такого события исчезающе мала — для него нужно очень точное, выверенное до долей фемтометров
попадание в подходящее атомное ядро. Только тогда у нейтрино появится шанс провзаимодействовать и выбросить энергию в конечной точке своего пути. То, что с людьми этого никогда не происходит, говорит не о том, какие нейтрино легкие и бестелесные, а скорее о том, что люди (как и вообще видимая материя) состоят прежде всего из пустоты.
Как же тогда удалось доказать, то нейтрино все-таки существуют, да еще и построить их детекторы? Как можно догадаться, даже очень редкие события можно зафиксировать, если дать им достаточно шансов произойти. Для нейтрино это означает попасть в среду, где будет возможно взаимодействие с рождением других, более осязаемых частиц — и это рождение можно будет зафиксировать. Даже в детекторах само по себе нейтрино остается невидимым, а то, что удается детектировать — это образующиеся при взаимодействии электрон или другая заряженная частица с большей массой (мюон).
Баксанская нейтринная обсерватория
Дальше начинается уже та физика, с которой мы более-менее знакомы: заряженные электроны и мюоны, движущиеся с огромными скоростями в такой среде, как вода, начинают испускать так называемое черенковское излучение. Оно подобно ударной волне от сверхзвукового самолета в воздухе и возникает при движении частицы со скоростью, превышающей скорость света в данной среде — например, в воде (скорость света в вакууме по-прежнему недостижима, все в порядке!).
Черенковское излучение — это эффект, который заставляет водные резервуары атомных реакторов светиться бледно-голубым светом. И фактически все, что делают детекторы нейтрино вроде IceCube и Baikal-GVD, — это регистрация вспышек такого излучения.
Конечно, в таком описании все звучит слишком просто, но на деле главная забота физиков, занимающихся нейтрино, — борьба с постоянным шумом от бесконечного потока других частиц, которые тоже вызывают черенковское излучение, регистрируемое детекторами, но нейтрино не являются. Или являются ими, но приходят из других источников: из тех же атомных реакторов, из центра Земли, где идут процессы радиоактивного распада, из центра Солнца (это главный источник шума) или из космоса.
Лекция Дмитрия Горбунова о нейтрино вообще и об исследованиях космических нейтрино в частности для проекта N + Offline
Энка
Но космические нейтрино бывают разные. Часть из них (по количеству — подавляющяя) возникает вблизи Земли, их источник — это распад прилетевших в орбиту магнитного поля планеты протонов. Они, конечно, тоже нейтрино — но не те, что интересны большинству физиков и астрономов.
Гораздо интереснее те частицы, что были рождены за пределами нашей Солнечной системы — а лучше вообще за пределами галактики. Их гораздо, принципиально меньше, чем нейтрино из других источников, но только они могут быть крайне высоких энергий — в сотни тераэлектронвольт. Никакие земные процессы частицы таких энергий произвести не могут, а вот остатки сверхновых или центры квазаров — вполне способны. Такие события случаются не так уж часто, а некоторые — например, недавнее обнаружение нейтрино энергией в 120 петаэлектронвольт на глубоководном телескопе в Средиземном Море KM3NeT, — и вовсе остаются уникальными.
В каких именно процессах рождаются такие чудовищно мощные частицы, остается загадкой, и именно для изучения этого вопроса строятся и IceCube, и Baikal-GVD, и KM3NeT, и другие аналогичные детекторы. Фактически речь идет о создании новой астрономии — астрономии, в которой роль света или радиоволны играют нейтрино. Наряду с гравитационными волнами, недавно открывшими второе «окно» в небо, такие детекторы, как IceCube, пробили третье — нейтринное. И именно это открытие — в буквальном смысле — отметил в этом году Нобелевский комитет.
