Как нобелевского лауреата по физике 2026 года вдохновила идея советского ученого почти 70-летней давности История открытия нейтрино — удивительных частиц из далекого космоса, обладающих невероятной энергией
Нобелевскую премию по физике в 2026 году присудили бельгийцу Фрэнсису Хальцену — за «решающий вклад в работу нейтринной обсерватории IceCube и открытие высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения». Нейтрино долгое время считались частицами почти неуловимыми, особенно те, что прилетают из далекого космоса. На Земле сложность с поиском космических источников нейтрино усугубляется еще и тем, что подавляющее большинство частиц приходит с Солнца или рождается в магнитном поле планеты. И все-таки найти такие нейтрино удалось благодаря удивительному по масштабу проекту, придуманному советским физиком Моисеем Марковым еще в 1960-х и реализованному в последние десятилетия Хальценом. Это IceCube — обсерватория в Антарктиде, находящаяся в самой толще полярного льда. Что нужно знать об истории проекта? Как устроен детектор космических нейтрино? И что вообще может дать исследование этих частиц?
Советский след в Нобеле-2026: как идея Моисея Маркова покорила мировую физику
Как и с самой физикой, с популярными текстами по этой науке на русском все сильно лучше, чем с другими нобелевскими дисциплинами — биологией и химией. Поэтому и про нейтрино, и про конкретно нейтринную обсерваторию IceCube, детище нынешнего лауреата Франсиса Хальцена, есть уже много глубоких материалов, написанных настоящими специалистами. К ним сложно добавить что-то новое — поэтому именно с них имеет смысл начать.
Прежде всего, читателю повезло в том, что несколько лет назад на русский была переведена книга Марка Боуэна «Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия». Она посвящена истории этого удивительного проекта, задуманного и воплощенного усилиями Хальцена. Книга, написанная в 2017 году, уже изрядно устарела, но только в плане нейтринных «находок» (современная физика движется быстро). То главное, что в ней рассказано — история Хальцена и его детища, — по-прежнему остается верным и увлекательным.
О том, что такое нейтрино вообще и как космические нейтрино ищут в России, в глубине Байкала, нашим читателям в 2021 году подробно рассказывали физики из Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований Дмитрий Наумов и Игорь Иванов. Тот текст был сосредоточен на аналоге IceCube — байкальской нейтринной обсерватории Baikal-GVD. Интересно, что это одна из тех редких точек, где российская наука является не догоняющей, а вполне дополняющей мировую.
Первые нобелевские лауреаты 2026 года
Baikal-GVD расположен в другом полушарии относительно IceCube и работает не во льду, а в воде. И это на самом деле не вынужденная мера (хотя, конечно, работать на Байкале проще, чем в Антарктиде), а большая ценность. Ведь данные, полученные двумя установками, дополняют друг друга: расположение на другом конце Земли позволяет точнее вычислять положение источника прилетающих к нам частиц, а работа детекторов в воде имеет большую точность по сравнению со льдом, где свет проще рассеивается.
Вообще, российский (а на самом деле советский) след в нынешней премии вполне очевидный. Дело не только в том, что в СССР похожий нейтринный телескоп начали создавать еще в начале 1980-х. Важнее, что саму идею искать следы нейтрино в больших естественных объемах воды или льда вроде озер или морей (в противоположность созданию чисто лабораторных детекторов, которые тоже существуют) предложил советский физик — академик Моисей Марков.
Случилось это еще в 1960 году на конференции в Рочестере. И это не тот случай, когда мысль, пришедшая одинокому советскому ученому и описанная в малоизвестном журнале, много лет спустя была переоткрыта на Западе. Нет, Марков выступил со своей идеей в Рочестере — и многие западные физики тотчас же ее оценили и ею загорелись. В том числе Франсис Хальцен. Вот что сам лауреат писал об этом моменте:
Как устроен такой детектор, [что сможет обнаружить космические нейтрино]? Об этом известно еще с 1960 года. Мне нравится вспоминать одну фотографию… Моисея Маркова с Бруно Понтекорво, ведь Понтекорво придумал практически все в физике нейтрино — за исключением именно этой идеи. Эта идея принадлежала Маркову. Нужно построить черенковский детектор. Нужно спуститься глубоко в океан или, в случае с Россией, глубоко в озеро Байкал. Там темно. И там нужно установить световые датчики, которыми заполняется куб воды объемом в один километр.
Представляем себе этот воображаемый километр и регистрируем частицы, проникающие сквозь Землю. Если частица проходит сквозь Землю, то это нейтрино. Никакие другие частицы не проникают сквозь Землю. Что делает это нейтрино? Оно проходит через детектор, и вы ничего не видите. Однако примерно в одном случае из миллиона, в интересующей нас области, где работает IceCube, нейтрино сталкивается с протоном. Тогда происходит ядерная реакция, и вода окрашивается в синий цвет, точно так же, как это происходит в ядерном реакторе…
В этих двух абзацах, собственно, изложено все, что нужно знать о принципах работы IceCube и той идее, за которую дали Нобелевскую премию. Но попробуем все-таки распаковать это лаконичное описание начиная с самого начала — с нейтрино.
Что такое нейтрино и зачем его искать?
«Нейтрино входило в круг элементарных частиц неуверенно и робко, — писал в своей монографии 1964 года Моисей Марков. — В течение ряда лет не было ясности, представляет ли собой нейтрино реальную частицу или является теоретическим понятием, удачно количественно формулирующим исчезновение в различных реакциях энергии и момента количества движения».
В переводе с физико-лирического на более бытовой и современный язык это означает, что нейтрино физики сначала просто выдумали. Выдумали как способ спасти закон сохранения энергии в некоторых процессах радиоактивного распада, когда видели образование электронов. По законам сохранения последние должны были быть строго определенных энергий — но так почему-то не получалось: набор энергий у электронов был сплошным, а не прерывистым. И тогда, как теперь считается, австро-немецкий физик Вольфганг Паули предположил, что вместе с электроном в таких распадах возникает некая гипотетическая частица, уносящая часть энергии и момента движения.
Закон сохранения энергии таким образом был спасен, но большой ценой: «выдуманная» частица должна была не иметь заряда, массы и вообще почти ни с чем не взаимодействовать. То есть доказать, что она вообще существует, было на тот момент практически невозможно — что, конечно, не могло не смущать физиков, которые таких неосязаемых вещей не любят.
Главное и определяющее свойство нейтрино, в котором вся его сила и вся его слабость как инструмента для изучения мира, — то, что частица участвует только в так называемом слабом взаимодействии. Гравитация тоже на него действует, но настолько незначительно, что этим часто можно просто пренебречь. Слабое взаимодействие (одно из четырех фундаментальных взаимодействий — наряду с сильным, электромагнитным и гравитацией) отличается тем, что действует на очень коротком расстоянии — меньшем, чем не то что атомы, но и атомные ядра.
Комментариев нет:
Отправить комментарий