Американский астрофизик получил больше миллиона долларов за невидимую частицу

За создание нейтринной обсерватории IceCube на Южном полюсе Земли и открытие нейтрино высоких энергий вручили во вторник Нобелевскую премию по физике. Лауреатом стал 82-летний американский астрофизик Фрэнсис Хальзен, профессор Висконсинского университета в столице штата Мэдисон. Мы оценили его вклад в науку с российскими учеными.

фото: Лилия Шарловская

Нейтрино – это частицы, которые почти никак не взаимодействуют с веществом. Рожденные Солнцем и далекими галактиками, они ежесекундно пролетают через нас насквозь, но мы этого не замечаем. И это несмотря на то, что энергия нейтрино измеряется в петаэлектронвольтах (ПэВ), или квадриллионах электронвольт. То есть, в энергиях, невозможных для воспроизведения их на Земле. Регистрировать их в больших объемах воды предложил советский академик Моисей Марков, а первое нейтрино было зарегистрировано таким способом группой выдающегося российского физика Григория Домогацкого на озере Байкал в 1995 году.

Тем временем бельгийско-американский физик Фрэнсис Хальзен в 1987 году запустил на Южном полюсе проект AMANDA, – так была впервые представлена концепция ученого по использованию антарктического льда для регистрации нейтрино. Оказывается в редчайших случаях нейтрино все же сталкиваются с атомными ядрами. Но для того, чтобы поймать этот момент, нужен большой объем вещества в качестве мишени. Этим веществом и стал прозрачный лед – та же вода, только замерзшая – на антарктической станции Амундсен-Скотт, где после AMANDA в 2004 году появился проект IceCube, представляющий собой куб прозрачного льда величиной в 1 кубический километр, в который вморожены детекторы нейтрино. Толщина льда  важна как защита от других частиц, которые лёд отсеивает, пропуская лишь нейтрино. 

IceCube «ловит» нейтрино на глубине от 1450 до 2450 метров при помощи 5160 оптических модулей с фотоумножителями и компьютерами, расположенными друг от друга на расстоянии 17 метров. Происходит это следующим образом: когда нейтрино сталкивается с ядром атома водорода или кислорода. В результате возникают вторичные заряженные частицы (например, мюоны), которые движутся быстрее скорости света среде, порождая в свою очередь вспышку черенковского излучения синего света. Датчики, расположенные в льду, фиксируют этот свет, что позволяет учёным оценить энергию нейтрино и направление его прихода.

К слову, чаще всего обсерватория фиксирует прилеты атмосферных нейтрино, а наиболее интересные, астрофизические – большая редкость.   

Главным достижением IceCube стала регистрация в 2013 году нейтрино высоких энергий астрофизического происхождения.

Чтобы «отлавливать» такие высокоэнергичные частицы, ученые по всему миру стали создают особые нейтринные обсерватории. сейчас, кроме IceCube, существует наш российский Байкальский нейтринный телескоп (известный также как проект Baikal-GVD объемом 0,8 кубических километра) и европейский KM3NeT (около 0,2 км2) в Средиземном море. Это фотоумножители, оптические модули, которые в воде регистрируют вспышки от прохождения нейтрино, а точнее, вспышки, рождающиеся при взаимодействии нейтрино с другими частицами. У воды и льда есть свои преимущества, так лёд более прозрачней, позволяет видеть вспышку черенковского излучения на более дальнем расстояние, зато вода меньше рассеивает свет, позволяя более точно измерять направление нейтрино.

Кстати, по словам члена-корреспондента ран, главного научного сотрудника Института ядерных исследований ран Сергея Троицкого, несмотря на то, что высокоэнергичные нейтрино были открыты на IсeСube в 2013, году (сам Фрэнсис Хальзен объявил о них в 2014-м), премия Нобеля стала возможна для него только после того, как в 2025-м году этот «прилет»  подтвердила независимая группа ученых из России на своем нейтринном телескопе  Baikal-GVD. 

Кстати, благодаря российскому научному прибору и российским ученым из ИЯИ ран было установлено, что обнаруженные нейтрино с энергий – больше 200 ТэВ были не внегалактическим, а рожденными в нашей родной Галактике Млечный Путь, чего не поняли сразу ученые из группы Хальзена.

Источник