Вся видимая материя во Вселенной — звёзды, планеты, вы, я — состоит из некоторой комбинации 12 фундаментальных частиц. Самые лёгкие и распространённые из них — нейтрино. Они также наименее заметны. С каждым тиком часов более 100 миллиардов этих «маленьких нейтральных» незаметно проносятся сквозь вас с энергиями настолько низкими, что не оставляют следов своего прохождения.
Нейтрино обладают уникально малыми массами и способностью проникать практически через что угодно, что делает их острейшим инструментом для таких физиков, как я, для изучения того, как фундаментальные частицы взаимодействуют друг с другом. Например, нейтрино могут дать исследователям лучший шанс узнать, почему Вселенная преимущественно состоит из материи, а не из равных частей материи и антиматерии.
Их необычные свойства также делают нейтрино чертовски трудными для обнаружения. Физики ответили на этот вызов, используя специализированные материалы в промышленных масштабах. Нобелевская премия по физике 2026 года была присуждена физику Фрэнсису Хальцену за его работу над нейтринной обсерваторией IceCube — детектором, расположенным на Южном полюсе, который является одним из самых долго работающих экспериментов, использующих огромные количества материала, чтобы попытаться уловить проблеск этих мимолётных крошечных частиц.
История открытия нейтрино
Учёные впервые предположили существование нейтрино в 1930 году, но потребовалось ещё четверть века, чтобы физики их обнаружили. Они сделали это, используя 10 тонн жидкости, размещённой near ядром ядерного реактора. Они обнаружили слабый шёпот энергичных нейтрино, возникающих в процессе ядерного деления, когда те сталкивались с частицами в жидкости. Первая Нобелевская премия, связанная с нейтрино, была присуждена в 1995 году за это открытие.
С тех пор исследователи получили Нобелевские премии за открытия с использованием нейтрино, созданных на ускорителях частиц, в атмосферных ливнях космических лучей и в ядре Солнца. Нобелевская премия по физике 2026 года была присуждена за обнаружение нейтрино, созданных в астрофизических источниках далеко за пределами Солнечной системы. Многие из нейтрино, использованных в этих открытиях, прошли через всю Землю, прежде чем были обнаружены.
Осцилляции нейтрино
Нейтрино бывают трёх типов, называемых электронным нейтрино, мюонным нейтрино и тау-нейтрино из-за их тесной связи с заряженными частицами с теми же названиями. Например, если продукты распада частицы включают электрон, они часто также включают электронное нейтрино.
Нейтрино настолько лёгкие, что учёные сначала предположили, что они не имеют массы. Теперь мы знаем, что нейтрино одного типа наблюдались как превращающиеся, или «осциллирующие», в другой тип: нечто, что может происходить только если нейтрино имеют ненулевую массу, даже если она крошечная.
Эксперимент Super-Kamiokande — огромный резервуар сверхчистой воды весом 110 миллионов фунтов (50 килотонн), погребённый под горой в Японии, — обнаружил в 1998 году, что нейтрино, produced в атмосфере, осциллируют. Учёные наблюдали, как нейтрино меняют свой тип, проносясь через Землю под детектором и — редко — производя сигнал, врезаясь в молекулу воды внутри детектора.
Сигнатура электронного нейтрино — это 4-дюймовый (10-сантиметровый) сгусток света, в то время как сигнатура мюонного нейтрино — это многометровый трек света. Эксперимент измерил неравномерный паттерн, который мюонные нейтрино могли бы произвести только если некоторые из них осциллировали в электронные или тау-нейтрино, проходя через Землю между местом их рождения в атмосфере и местом обнаружения Super-Kamiokande.
Эксперимент Обсерватории нейтрино в Садбери обнаружил в 2002 году, что нейтрино, produced на Солнце, также меняют свой тип, выходя из солнечного ядра и путешествуя к Земле. Предыдущие эксперименты, измерявшие солнечные нейтрино, могли видеть только электронные нейтрино, которые являются единственным типом, производимым в реакциях синтеза в ядре Солнца.
Эта обсерватория в Садбери, Канада, использовала 1 килотонну (более 2 миллионов фунтов) тяжёлой воды, что позволило ей видеть все типы нейтрино одновременно. Тяжёлая вода содержит дейтерий вместо водорода. И ядра дейтерия содержат нейтрон, который может быть освобождён нейтрино и затем обнаружен, независимо от типа нейтрино.
Вместе Super-Kamiokande и Обсерватория нейтрино в Садбери решили загадку, занимавшую физиков почти три десятилетия: почему мы не видели столько нейтрино от реакций синтеза на Солнце, сколько ожидалось, учитывая светимость Солнца? Делало ли Солнце, и, следовательно, многие звёзды во Вселенной, что-то, чего мы не понимали?
Окончательный ответ, данный Super-Kamiokande и Садбери, состоял в том, что это сами нейтрино осциллировали. Руководители двух экспериментов были удостоены Нобелевской премии за открытие нейтринных осцилляций в 2015 году.
Широкоугольный вид внутренней части детектора Обсерватории нейтрино в Садбери, Канада. SNO
Необходимость ещё большего детектора
Примерно в то же время, когда исследователи обнаружили нейтринные осцилляции, Фрэнсис Хальцен и другие предположили, что мощные астрофизические явления в космосе, такие как активные ядра галактик, гамма-всплески, сверхновые и слияния двойных нейтронных звёзд, должны производить очень энергичные нейтрино.
Они знали, что высокие энергии этих астрофизических нейтрино сделают их более склонными к взаимодействию с материей и более лёгкими для обнаружения. Однако они также понимали, что они будут гораздо более редкими. Эти нейтрино были бы настолько энергичными, что для захвата заметного количества их и удержания захваченных детектор должен был быть огромным даже по стандартам нейтринных детекторов. Ему потребовался бы объём около четверти кубической мили (1 кубический километр), и что-то настолько большое нельзя было построить вручную.
Чтобы обнаружить астрофизические нейтрино, им пришлось оседлать Мать-природу.
Строительство IceCube
Среда эксперимента должна была быть прозрачной. Таким образом, когда нейтрино сталкивалось с частицей во льду и производило как заряженные частицы, так и свет, этот свет можно было бы обнаружить на расстоянии сотен ярдов. Команда определила, что глубокий лёд, найденный на Южном полюсе, достаточно прозрачен и позволит создать разреженный — и доступный по цене — массив датчиков. Учёные построили прототип детектора под названием AMANDA. После ввода в эксплуатацию он вскоре зарегистрировал паттерн света, produced заряженной частицей, движущейся вверх в детекторе.
Они знали, что этот паттерн мог произойти только от нейтрино, созданного в Северном полушарии, которое прорыло себе путь через большую часть Земли. Оно должно было завершить своё путешествие, столкнувшись с атомом во льду near дном детектора AMANDA, произведя восходящую частицу.
Цифровые датчики IceCube ждут развёртывания в антарктическом льду. Jim Haugen, IceCube/NSF
Теперь, когда они продемонстрировали жизнеспособность ледяного щита Южного полюса для обнаружения нейтрино, Фрэнсис Хальцен и его коллеги начали кампанию по строительству детектора в масштабе кубического километра, охватывающего гигатонну нетронутого ледникового льда. Результатом стал IceCube, который имеет около 5000 оптических датчиков, погружённых более чем на 1 милю (1,6 километра) под поверхность ледяного щита.
Строительство IceCube заняло семь лет, при этом строительство было ограничено несколькими месяцами в год в течение лета Южного полушария. Затем в 2013 году, через несколько лет после включения, IceCube обнаружил нейтрино настолько высокой энергии, что они должны были иметь астрофизическое происхождение. Однако исследователи не смогли точно определить, что их произвело.
Отправка одного из сенсорных модулей IceCube в массив, где он может начать сбор данных. Mark Krasberg, IceCube/NSF
Несколько лет спустя IceCube увидел энергичное нейтрино одновременно с тем, как космический телескоп NASA заметил энергичный гамма-луч, приходящий из того же места, что и нейтрино. Вместе эти два наблюдения подтвердили происхождение астрофизического нейтрино.
По мере того как учёные IceCube узнавали больше о детекторе и разрабатывали более сложные методы анализа, они обнаружили нейтрино, испускаемые центром нашей галактики, а также нейтрино, испускаемые несколькими другими астрофизическими источниками.
Когда нейтрино путешествует через детектор, оно сталкивается с частицами во льду и высвобождает свет, который детекторы IceCube улавливают, чтобы проследить его путь.
Учёные IceCube также обнаружили первые астрофизические тау-нейтрино, обнаружив их уникальную сигнатуру «двойного каскада». Они также используют детектор для точных измерений того, как нейтрино осциллируют, и для поиска новых типов нейтрино.
Новые нейтринные телескопы скоро присоединятся к рядам IceCube, такие как KM3NeT, строящийся в Средиземном море, и P-ONE, разрабатываемый в канадской части Тихого океана. IceCube предложит расширение до IceCube-Gen2. Эти разработки делают весьма вероятным, что захватывающие новые открытия уже не за горами.
Почти 70 лет назад нейтрино объявили о своём присутствии самым тихим шёпотом. Теперь, перефразируя певца Тома Уэйтса, они «произносят речи», и физики ловят каждое слово.
Источники: Нобелевский комитет по физике, IceCube Neutrino Observatory, Super-Kamiokande, Sudbury Neutrino Observatory, AMANDA, KM3NeT, P-ONE, NASA.
Ваш комментарий