Нобелевскую премию по физике в 2026 году присудили американскому астрофизику Фрэнсису Хальцену за вклад в исследование нейтрино и создание нейтринной обсерватории IceCube для их изучения.
Неуловимые частицы Вселенной
Нейтрино — это очень легкая и нейтральная элементарная частица, которая почти не взаимодействует с веществом. Поэтому ее часто называют «частицей-призраком»: она может пролететь сквозь толщу Земли, людей и звезды, не оставив никакого следа. Нейтрино играют ключевую роль в образовании звезд и черных дыр, а также в понимании природы Большого взрыва. Их изучение позволяет получать информацию о процессах в недоступных для наблюдения местах — центрах звезд, недрах Земли, далеких галактиках.
Ученые давно знают, что в космосе существуют естественные ускорители частиц, испускающие частицы с энергией, в миллион раз превышающей возможности земных лабораторий. Многое о природе этих источников остается неясным: что они собой представляют, где расположены и какие процессы в них происходят? Нейтрино с невероятно высокой энергией возникают в тех же условиях, что и другие частицы. Однако, в отличие от них, нейтрино доходят до нас, не меняя направления и не теряя энергии. Это делает их уникальными носителями информации, недоступной никаким другим способом.
Ученый Фрэнсис Хальцен, которому в этом году присудили Нобелевскую премию по физике, впервые представил свою идею по захвату нейтрино на Южном полюсе в 1988 году. Когда нейтрино сталкивается с атомным ядром, оно испускает вспышку света, которую могут зафиксировать датчики, установленные в прозрачном ледниковом льду. Лед на Южном полюсе имеет множество преимуществ: он не подвержен различным видам помех, а сам регион геологически стабилен и не сталкивается с землетрясениями. Хальцен и его идея вскоре получили поддержку других исследователей, таким образом появилась обсерватория IceCube. Это гигантский детектор, расположенный на антарктическом леднике, который состоит из тысяч цифровых оптических модулей, погруженных в лед.
Под руководством Хальцена детектор зафиксировал 28 событий попадания космических нейтрино очень высокой энергии. Это открытие позволило ученым впервые напрямую изучать самые энергичные процессы во Вселенной, такие как взрывы далеких галактик или активность черных дыр, и даже позволит обнаружить ранее неизвестные космические явления.
Недостаточно для Нобеля?
Однако не все ученые считают, что работы Хальцена достаточно для получения Нобелевской премии, ведь, по сути, он не открыл ничего нового. Как рассказал «Газете.Ru» член-корреспондент РАН, профессор, доктор физико-математических наук, директор лаборатории теоретической физики ОИЯИ (Дубна) Дмитрий Казаков, IceCube — пионер в области нейтринной астрономии и за 15 лет работы с помощью него ученые собрали множество данных, но никаких значимых открытий не совершили.
«Однако мне неизвестны конкретные события, за которые можно было бы присудить Нобелевскую премию. Формулировка предполагает признание за создание установки. Это действительно важное достижение, но ведь существуют и другие значимые установки, такие как Большой адронный коллайдер в Женеве. Он был создан огромным коллективом ученых и позволил открыть Хиггсовский бозон. За это открытие присудили Нобелевскую премию, но не за создание коллайдера, а за научное достижение. Но, возможно, сейчас нет такого яркого открытия в физике», — отмечает Казаков.
По его словам, нейтрино открыли уже очень давно и нельзя говорить о том, что Хальцен нашел их — скорее он просто поймал с помощью IceCube уже известную, но обладающую невероятной энергией частицу.
Академик РАН Михаил Данилов, главный научный сотрудник ФИАН, заведующий кафедрой МФТИ, рассказал «Газете.Ru», что и идею обсерватории придумал далеко не Хальцен, она существовала уже в СССР. Более того, в нашей стране были уже построены и подобные установки, правда, значительно меньшего размера.
«Именно в России была предложена методика создания нейтринных телескопов, а в Институте ядерных исследований (ИЯИ РАН) расположен один из крупнейших в мире подводных нейтринных телескопов на озере Байкал. Ключевую роль в этих проектах играют ученые из ИЯИ и ОИЯИ (Объединенного института ядерных исследований). Поэтому можно сказать, что в России это направление очень сильно развито. На данный момент у нас работает второй по величине нейтринный телескоп в мире», — отметил Данилов.
Впрочем, академик считает, что Фрэнсис Хальцен вполне заслуживает Нобелевской премии.
«Они действительно впервые обнаружили нейтрино из Вселенной. Большинство космических нейтрино, которые мы фиксируем на Земле, рождаются в атмосфере нашей планеты. Их тоже интересно изучать, но особенно захватывающе исследовать нейтрино, прилетающие из космоса. Это уже настоящая нейтринная астрономия. Это открывает новую страницу в исследовании Вселенной. Я уверен, что за это Хальцен заслуживает Нобелевской премии. Однако, на мой взгляд, было бы справедливо также отметить и тех ученых из СССР, которые предложили принцип работы нейтринного телескопа», — подчеркнул академик.
Данилов отметил, что в России нейтрино изучается очень серьезно. В частности, его работа связана с поиском дополнительных измерений, куда могли бы исчезать нейтрино.
«Мы искали признаки существования дополнительных измерений пространства, которые могли бы объяснить исчезновение нейтрино из нашего пространства. К сожалению, мы не обнаружили таких измерений. Если бы они существовали и мы это доказали, то Нобелевская премия досталась бы нам», — пошутил он.
В России нейтрино используют уже и в практических работах.
«Мы измерили мощность ядерного реактора с помощью нейтрино. Нейтрино проходят через все что угодно, поэтому мы смогли провести дистанционное измерение с точностью 0,8% за девять лет. Мы также выяснили, сколько плутония делится в реакторе с помощью нейтрино, что имеет важное прикладное значение», — рассказал Данилов.
О многочисленных российских исследованиях нейтрино рассказал «Газете.Ru» и доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории гамма-астрономии и реакторных нейтрино ИЯИ РАН Валерий Синев.
Он занимается исследованием радиоактивности Земли с помощью геонейтрино — это нейтрино, испускаемые при распаде радионуклидов внутри Земли.
«Какой вклад в тепло Земли дают распады таких тяжелых изотопов? Это важная проблема: сколько тепла выходит из Земли. Ее можно решить, только зарегистрировав нейтрино из Земли, поняв, от каких источников они происходят, и тогда оценить общий вклад в тепло», — говорит Синев.
Есть еще одно прикладное значение нейтрино — его можно использовать для томографии внутренностей Земли.
«Земная атмосфера рождает огромное количество атмосферных нейтрино. Это в основном мюонные нейтрино и примерно одна треть — электронные. Они проходят сквозь всю Землю, практически не взаимодействуя, но немного все-таки взаимодействуя. В зависимости от химического состава ядра Земли меняется характер этого взаимодействия. Предполагается, что там железо с примесью никеля, порядка пяти процентов никеля. Но эти данные основаны на теоретических представлениях и на том, что мы знаем о составе земной коры и метеоритов. Это своего рода экстраполяция. Говорится, что ядро Земли должно на 95% состоять из железа и на 5% из никеля, может быть, с небольшими добавками хрома и других элементов. Нейтрино может помочь это проверить», — уверен Синев.
Все три российских ученых подчеркивают вклад и ценность российской нейтринной обсерватории на Байкале, которая позволяет держать нейтринную науку на мировом уровне. Байкальский глубинный водный детектор, или Байкал-GVD, начал работать много лет назад. За последние годы он достиг значительных успехов.
«Наш байкальский эксперимент позволяет проверять в том числе и результаты исследований, проводимых на IceCube. Иногда одно и то же нейтрино пронзает Землю и оставляет след сразу на двух детекторах — Байкальском и IceCube», — объясняет Дмитрий Казаков.
Это говорит о том, что данные Фрэнсиса Хальцена, которому присуждена Нобелевская премия, могут подтвердить или опровергнуть российские физики.
Пережил бомбежку и мечтал о небывалой обсерватории
Фрэнсис Хальцен — бельгийско-американский астрофизик, профессор Университета Висконсина-Мэдисона. Когда Хальцену объявили о присуждении премии, он был в путешествии в Италии и совсем не ожидал, что получит приз.
«Это было большой неожиданностью, я, конечно, этого не ожидал <...> Я надеюсь, что эта премия станет станет отражением того доверия, которое нам оказывают, того, что мы сотрудничаем с крупными компаниями и особенно с очень влиятельными людьми, которые вносят решающий вклад в развитие этого проекта», — сказал Хальцен сразу после объявления его нобелиатом.
Хальцен родился 23 марта 1944 года в оккупированной нацистами Бельгии в городе Тинене, за полгода до его освобождения американскими войсками. В возрасте двух месяцев пережил англо-американскую бомбежку — атака была направлена на железнодорожную инфраструктуру города, сотни домов были разрушены, погибли мирные жители, но семья Хальцена не пострадала. Сейчас он гражданин США.
Как поделился ученый в интервью Wisbusiness, он страстный любитель велогонок. В 2015 он получил премию Бальцана в 750 000 франков, и первой запланированной покупкой был гоночный велосипед.
«Я собираюсь купить новый гоночный велосипед. Вот и все, что я об этом думаю», — признался ученый.
Также он говорил, что с момента первой публикации по нейтрино в точности знал, что хочет построить небывалый телескоп. Так и появился IceCube. Сегодня 300 физиков и инженеров со всего мира работают над гигантским детектором нейтрино и анализируют данные с более чем 5000 датчиков, вмороженных в кубический километр антарктического льда.
«После выхода моей первой статьи на эту тему в 1987 году мы точно знали, что хотим построить», — говорит Хальцен.