Гигантский куб льда, в который ученые ловят частицы, прилетающие на Землю от звезд! За что в этом году дали Нобелевку по физике?

За что в этом году дали Нобелевскую премию по физике? 

Дмитрий Глазов (Университет ИТМО): Если коротко, за изобретение уникального детектора для астрофизических исследований. Речь об очень интересном сооружении под названием IceCube, буквально представляющем собой гигантский объем льда, с огромным количеством детекторов, погруженных в скважины.  

Все это нужно для того, чтобы изучать космические нейтрино — очень интересные частицы, которые очень сложно поймать. Настолько сложно, что для этого нужны очень нетривиальные идеи и большие усилия, которые, в том числе, предпринял Фрэнсис Халзен. 

Что это за нейтрино и зачем он нужен?

Дмитрий Глазов: Из школьного курса мы помним названия разных частиц: электроны, протоны, нейтроны. Все они имеют определенный заряд: электроны — отрицательный, а протоны — положительный, нейтроны — нулевой. Частицы с разным зарядом притягиваются, с одинаковым — отталкиваются.  

Нейтрино — это нейтральные частицы, которые не участвуют в электромагнитном взаимодействии. При этом они очень легкие и летят практически со скоростью света. В отличие от электронов, в обычном атоме их не встретить. Они возникают при определенных реакциях, самый типичный пример — бета-распад ядер. 

Нейтрино несут в себе информацию о тех объектах, в которых они «родились». Этим они, собственно, и интересны. Иногда они являются едва ли не единственным способом получить такие сведения. Самый простой пример — центр звезды, такой как наше Солнце. Там идут самые интенсивные реакции, но световых частиц, фотонов, мы оттуда не получаем. Свет, который мы видим, идет с поверхности Солнца, а фотоны из центра рассеиваются в плазме по пути к поверхности звезды. А вот нейтрино из центра Солнца до нас вполне себе долетают, поэтому их так интересно поймать. 

Впрочем, IceCube в первую очередь охотится на более экзотические нейтрино, приходящие из других галактик. Так называемые активные галактические ядра излучают нейтрино высоких энергий и приносят астрофизикам уникальную информацию о происходящих там процессах.

Борис Эскин: За исследования нейтрино уже получено целых две Нобелевских премии. Сам этот факт показывает, насколько тема важная и актуальная. 

За обнаружение нейтрино награду присудили в 2002 году, а в 2015-м ее дали за доказательство наличия у нейтрино массы покоя. Понятно, что любая частица, имеющая энергию, имеет и массу, это известно из школьного курса физики, а вот наличествует ли она у нейтрино в состоянии покоя, было неизвестно.  

Все эти исследования имеют колоссальное значение для изучения высокоэнергетических процессов не только в недрах звезд. Они позволяют пролить свет на события галактического и даже межгалактического масштаба. 

Вернемся к IceCube — что это такое?

Дмитрий Глазов: Поскольку нейтрино очень сложно поймать, необходимо было что-то придумать. И была предложена логичная идея, что чем больший объем вещества взять, тем больше шансов увидеть взаимодействие.  

Если взаимодействие все же происходит, то из вещества вылетает заряженная частица — например, электрон или протон, — давая сравнительно сильное излучение, которое мы можем зафиксировать с помощью приборов. 

Однако как это сделать? Нам нужно достаточно много однородного и прозрачного вещества. Тогда и пришла идея использовать гигантский куб льда в Антарктике — объемом в один кубический километр, напичкав его датчиками. Эта идея и ее успешная реализация и отмечена сегодняшней премией. 

Для чего все это?

Дмитрий Глазов: В первую очередь астрофизики получают бесценную информацию о тех самых активных ядрах галактик, чтобы разобраться, как они устроены и каковы их общие свойства. Также мы узнаем больше про сами нейтрино — эти частицы сами по себе содержат нерешенные загадки. Кроме того, такие исследования позволят нам лучше понимать термоядерные реакции в звездах. 

Мы давно мечтаем об управляемом термоядерном синтезе, который дал бы нам гигантское количество энергии. В звездах этот синтез протекает «в естественных условиях», так что чем больше мы изучаем процессы внутри них, тем лучше мы понимаем, как сделать термоядерную реакцию в лаборатории.

А в нашей стране ведутся такие исследования?

Борис Эскин: Да, у нас проводятся очень близкие по своей идее исследования на Байкале. Там работает байкальский нейтринный телескоп, прямо внутри озера. Вода В Байкале очень чистая и прозрачная, поэтому может использоваться для тех же целей, что и лед в Антарктике. Прямо в толщу воды опущены гирлянды датчиков, которые регистрируют вспышки, вызванные взаимодействием частиц, вызванных столкновениями отдельных нейтрино с молекулами воды. 

Почему тогда премия только за IceCube?

Дмитрий Глазов: Действительно, премию могут вручать нескольким ученым, в этот раз дали только Фрэнсису Халзену. Персональный вклад каждого участника в таких масштабных проектах всегда очень сложно оценить. Нобелевский комитет отдельно отметил именно вклад Хальцена в создание и развитие IceCube и открытие астрофизических нейтрино высоких энергий.

Если же поставить вопрос, почему не отметили работы на Байкале, то можно предположить следующее: Нобелевская премия в данном случае была связана не просто с созданием большого нейтринного детектора, а с конкретным научным результатом — открытием высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения с помощью IceCube. 

Кажется, Нобелевку все чаще дают за астрономию?

Борис Эскин: Да, примерно 10% наград по физике вручены за работы в области астрономии и астрофизики. Думаю, это связано с тем, что где-то с 1970-х годов происходит революция в этой области знания. Стали появляться уникальные приборы, которые позволяют получить очень интересные результаты. 

Более того, эти результаты получаются на пределе возможностей техники и нашего математического аппарата. Астрофизики сейчас изучают настолько слабые сигналы, что их не только сложно обнаружить, но и математическая обработка этих результатов представляет сложности. При этом полученные знания объясняют нам то, как устроена Вселенная, в которой мы живем, одновременно давая много другим областям физики, математики и делая вклад в энергетику будущего.