Нобелевская премия по физике в этом году присуждена Фрэнсису Халцену за решающий вклад в создание нейтринной обсерватории IceCube и открытие высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения. Награду за исследования нейтрино вручают уже в пятый раз. В 1988 году её получили за открытие мюонного нейтрино, в 1995-м — за регистрацию нейтрино, в 2002-м — за обнаружение космических нейтрино, а в 2015-м — за изучение нейтринных осцилляций. Возникает вопрос: почему за работы по нейтрино решено дать ещё одну премию?
Причина в том, что нейтрино крайне неуловимы. В отличие от протонов и электронов, они не имеют электрического заряда. Нейтрино можно получить, сталкивая частицы в ускорителе, однако в сцинтилляционных детекторах они себя не проявляют. Нейтроны тоже лишены заряда, но по массе они сопоставимы с протоном и распадаются на заряженные частицы, которые легко зафиксировать. Масса нейтрино настолько мала, что долгое время их считали безмассовыми. Выяснилось, что масса у них всё же есть, но у отдельной частицы она неопределённа — она осциллирует между тремя состояниями. Как нельзя точно узнать положение электрона, так нельзя узнать и точную массу нейтрино. Единственный реальный способ их обнаружить — дождаться столкновения с другой частицей, а поскольку взаимодействуют они в основном через слабое взаимодействие, такие столкновения происходят редко.
Существует два основных подхода к регистрации этих частиц. Первый — создать очень мощный источник нейтрино, например пучок нейтрино от ускорителя частиц, что сравнимо с прожектором, направленным на детектор в сотнях километров от него. Второй — окружить фотодетекторами тёмный резервуар с водой. Когда нейтрино случайно сталкивается с атомным ядром, образованный поток частиц порождает характерную вспышку света, которую фиксируют фотодетекторы.
Даже с лучшими водными детекторами удаётся наблюдать в основном солнечные нейтрино. Солнце работает как естественный нейтринный прожектор, и для надёжной регистрации его нейтрино всё равно нужен резервуар с водой массой 50 тысяч тонн. Известно, что нейтрино рождаются во всей Вселенной. Вероятно, существует нейтринный космический фон, аналогичный реликтовому микроволновому излучению, но зафиксировать его пока не получается. Единственный случай регистрации нейтрино за пределами Солнечной системы произошёл в 1987 году, когда вспышка сверхновой в Большом Магеллановом Облаке позволила нескольким обсерваториям по всему миру зафиксировать считаные нейтрино.
Ситуация изменилась с запуском нейтринной обсерватории IceCube. Детекторы нейтрино представляют собой огромные резервуары с водой, поскольку события с нейтрино крайне редки. Чтобы повысить чувствительность детектора, нужно построить резервуар больше — правда, создать крупные ёмкости со сверхчистой водой чрезвычайно сложно. Впрочем, вода не обязательно должна быть жидкой: подойдёт и лёд, а его на Южном полюсе в избытке. Идея IceCube как раз в том, чтобы использовать уже имеющийся лёд. Вместо строительства резервуара детекторы размещают глубоко в антарктическом ледяном щите, и тогда размер установки ограничен лишь количеством оптических сенсоров. Благодаря расположению на Южном полюсе обсерватория задействует кубический километр льда — фактически резервуар массой в гигатонну, достаточно чувствительный для наблюдения космических нейтрино. С помощью IceCube теперь можно регистрировать нейтринные вспышки от сверхновых, нейтринные события, связанные с сигналами гравитационных волн, и нейтрино, рождённые космическими лучами. Это дало возможность заниматься нейтринной астрономией.
А поскольку идея IceCube принадлежала Фрэнсису Халцену, именно ему и досталась Нобелевская премия. Об этом сообщает Королевская шведская академия наук.