«Призрачные частицы», которые проникают сквозь наши тела и принесли Нобелевскую премию физику, который научился «видеть» их под антарктическим льдом

«Я совершил нечто ужасное», — сказал Вольфганг Паули, известный физик 1930-х годов: «Я постулировал существование частицы, которую невозможно обнаружить». Как и многие великие учёные, он был прав и в то же время ошибался. После 80 лет научных исследований и технологических разработок эта частица, возникшая за пределами нашей планеты и «невозможная для обнаружения» даже для такого ума, как у Паули, была обнаружена на научной станции на Южном полюсе. Эта частица, получившая название нейтрино, настолько слабо взаимодействует с остальной материей, что проникает сквозь тела — всех людей и всех предметов — практически не оставляя следов своего существования. Поэтому для её обнаружения требуются эксперименты с использованием крупных инфраструктур, таких как IceCube, расположенная на базе Амундсен-Скотт в Антарктиде. «Сегодня утром Нобелевскую премию по физике вручили главному инициатору проекта IceCube, бельгийскому исследователю из Университета Висконсин-Мэдисон Фрэнсису Халзену. Физик, родившийся в 1944 году, путешествовал по северной Италии, когда его застал врасплох звонок от шведского комитета. «Я чувствую себя странно, но это огромное удовольствие, и я надеюсь, что эта премия также достанется людям, которые в течение столь долгого времени вносили вклад в проект», — такими были его первые слова. «Хальзен возглавлял международную команду исследователей и инженеров, которая создала для нас фантастический инструмент». «Его упорство и научное видение проложили путь для нового вида астрономии», — заявил Марк Пирс, председатель Нобелевского комитета по физике, во время пресс-конференции в Стокгольме после объявления о присуждении премии, размер которой составляет 12 миллионов шведских крон, что составляет чуть более миллиона долларов, и которая была присуждена одному исследователю — а не тройке ученых, как это обычно бывает, например, в случае с премией по медицине, врученной вчера. Этот новый вид астрономии, о котором упомянул Пирс, называется нейтринной астрофизикой или мультимессенджерной астрономией, поскольку позволяет делать выводы о космосе на основе данных об этой удивительной частице». Строительство IceCube в Антарктиде заняло около пяти летних сезонов, с 2005 по 2010 год, когда оно наконец было завершено, при стоимости около 300 миллионов долларов США; уже в 2013 году он зафиксировал первый поток нейтрино. Для обнаружения нейтрино — одной из самых неуловимых частиц так называемой стандартной модели природы — требуется огромное количество льда. Именно поэтому Шведская академия отметила предвидение Хальцена о том, что их можно найти именно там, а также его способность привлечь необходимые средства. «Нейтрино — это призрачный посланник звёзд», — с некоторой долей поэзии сказала Пирс. Дело в том, что физики не только обнаруживают их присутствие, но и могут определить происхождение этих частиц — например, чёрных дыр — после того, как они фиксируются в огромных объёмах полярного льда. «Джеральдина Голуп родилась в Росарио, но уже более 20 лет живёт в Барилоче, где работает преподавателем в Институте Бальсейро и научным сотрудником CNEA-Conicet. Получив диплом по физике, она прошла постдокторскую стажировку в коллаборации IceCube в Брюсселе, где познакомилась с Хальзеном и опубликовала совместные работы с ним в Институте высоких энергий Свободного университета Брюсселя. «Эта награда стала для меня очень приятной неожиданностью», — сказала Голуп газете LA NACION. «Еще в 1980-х годах Хальцен понял, что лед Южного полюса можно использовать для установки гигантского нейтринного детектора. Хотя он и является физиком-теоретиком, он активно продвигал этот проект. Сначала был построен небольшой детектор под названием «Аманда», а затем, когда концепция доказала свою работоспособность, удалось получить финансирование для проекта «IceCube», объём которого составляет один кубический километр», — рассказал он. «Голуп пояснил, что для обсерватории были проложены вертикальные каналы с горячей водой, в которых были установлены фототрубки, при этом для детекции использовался сверхчистый лёд этого района». В этом эксперименте задействованы технические детали физики высоких энергий: исследователи наблюдают, как нейтрино взаимодействуют с атомными ядрами, генерируя другие частицы, которые движутся быстрее скорости света в этой среде и создают сигнал, известный как черенковское излучение, которое затем регистрируется фототрубками. «Это следы в льду длиной в сотни метров», — уточнил Голуп. «Похоже, нейтрино нуждаются в экстремальных условиях. В рамках другого эксперимента их пытаются обнаружить на дне Средиземного моря у берегов Италии с помощью телескопа KM3Net, который в 2023 году совершил важное обнаружение и заслужил попадание на обложку журнала Nature». Ингомар Аллекотте, ещё один исследователь из института «Бальсейро» и Аргентинского национального агентства по атомной энергии (CNEA), рассказал, что хорошо знаком с Хальценом, поскольку нынешний лауреат Нобелевской премии входил в состав комитета, оценивавшего один из этапов работы обсерватории Пьера Ожера, расположенной в Маларгуэ (Мендоса), также занимающейся поиском частиц высокой и сверхвысокой энергии, где он побывал в последний раз в 2023 году. « «Хальцен, благодаря своему энтузиазму, является одним из пионеров этой области физики, которая ищет информацию о Вселенной, наблюдая за космосом с помощью нейтрино и других космических лучей», — сказал он газете LA NACION. «IceCube — грандиозный проект объемом в один кубический километр на Южном полюсе — обнаружил высокоэнергетические нейтрино астрофизического происхождения, пришедшие из-за пределов Млечного Пути, и определил источники этих нейтрино — не звезды, а активные ядра галактик (AGN)», — уточнил Аллекотте. Он добавил, что эти инвестиции, во многом обусловленные логистическими трудностями, присущими Южному полюсу, представляют собой огромную ставку на фундаментальную науку, «которая порождает технологический эффект, в рамках которого происходит подготовка специалистов и приобретаются новые знания». В качестве любопытного факта он рассказал, что для пробуривания скважин глубиной два километра во льду использовалась горячая вода, которая растапливает лёд и оставляет окно продолжительностью около 24 часов для установки детекторов, прежде чем холод вновь закроет скважину. « «Они представляют собой полосы длиной в один километр, каждая из которых содержит 60 фототрубок; всего их 86», — заключил он. «Нобелевская премия в этом году вполне заслужена», — сказал, в свою очередь, Эстебан Руле, ведущий научный сотрудник Conicet, эксперт по космическим лучам и нейтрино, который также лично знаком с новым лауреатом Нобелевской премии. «Хальцену пришла в голову эта идея, и ему удалось создать этот детектор нейтрино на Южном полюсе на глубине более двух километров, что позволяет получить детектор без шума», — отметил он. И добавил: «Хальцен открыл область нейтринной астрономии, определив место происхождения этих частиц, поскольку они не ослабевают во время своего путешествия и позволяют наблюдать глубокие области Вселенной». Так были обнаружены первые источники этих нейтрино — далекие галактики, в центрах которых находятся сверхмассивные черные дыры. Материя, падающая в эти чёрные дыры, генерирует излучение, которое впоследствии приводит к образованию нейтрино». «Хуан Хосе Эрнандес Рей, научный сотрудник CSIC в Институте корпускулярной физики в Валенсии и исследователь проекта KM3NeT, заявил, что «это вполне заслуженная награда». «Хальцен не только выдвинул идею использования антарктического льда в качестве естественной среды для обнаружения нейтрино, но и преследовал эту идею с необычайной решимостью, даже когда ещё не было ясно, хватит ли объёма в один кубический километр для обнаружения слабых потоков нейтрино с такими энергиями»." В интервью испанскому научному информационному центру SMC он добавил, что «окно во Вселенную для астрофизических нейтрино очень высоких энергий открывалось постепенно: сначала благодаря обнаружению нейтрино, приходящих со всех сторон, без возможности идентифицировать их источники; затем — благодаря обнаружению переходного сигнала, исходящего из активной галактики; затем — с обнаружением непрерывного сигнала, исходящего из близлежащей галактики; и, наконец, с обнаружением нейтрино, исходящих из нашей собственной галактики»."