Нобелевка ловцу нейтрино: зачем создавать обсерваторию подо льдом Южного полюса

Фрэнсис Хальцен — один из основателей нейтринной астрономии. Он придумал использовать ледниковый лёд на Южном полюсе, чтобы поймать нейтрино — частицу, которая не имеет электрического заряда и почти не имеет массы. Её почти невозможно задержать или отклонить от прямого пути — благодаря этому нейтрино путешествуют по Вселенной, беспрепятственно проходя сквозь звёзды, планеты и наши тела.

Зачем ловить нейтрино? Главная идея созданной Хальцем обсерватории IceCube и всей современной нейтринной астрономии — с помощью них можно добыть информацию о явлениях, скрытых за пылевыми облаками, или об объектах, находящихся на таком большом расстоянии, что другие формы излучения просто исчезли по пути.

Тайна космических лучей

IceCube может улавливать нейтрино, образующиеся в результате процессов с чрезвычайно высокой энергией в далёкой Вселенной. Эти нейтрино могут указать на источники космических лучей — потоков протонов с экстремально высокими энергиями. Их происхождение долгое время оставалось одной из самых тщательно охраняемых тайн Вселенной.

Траектория заряженных протонов в пространстве искривляется магнитными полями, через которые они движутся, что делает невозможным определение их происхождения путём отслеживания направления их движения. Но загадочные процессы, ускоряющие протоны, также порождают нейтрино, на которые магнитные поля не влияют, поэтому нейтрино, в отличие от других частиц, достигают нас, не меняя направления, не теряя энергии, и могут дать информацию, недоступную никак иначе.

Нейтрино движутся строго по прямой, никогда не отклоняясь, поэтому, проследив траекторию движения сверхэнергичных нейтрино, можно найти те самые галактические ускорители, разогнавшие протоны космических лучей с энергией в миллионы раз большей, чем та, которая достигается в ускорителях на Земле. Это могут быть взрывы сверхновых, или активные сверхмассивные чёрные дыры в центрах молодых галактик, или какие-то другие космические явления и катастрофы, ещё неизвестные науке.

Бесчисленные нейтрино проходят сквозь материю незаметно, но очень редко всё же проявляют своё присутствие, сталкиваясь с атомным ядром. При этом словно высекается искра — возникает голубоватое «черенковское излучение».

Его открыл в середине прошлого века Павел Черенков, за что и получил в 1958 году Нобелевскую премию. Говорят, Черенков садился в тёмную комнату и просто наблюдал вспышки, направив на воду гамма-лучи. Кстати, на больших глубинах в океане тоже не полная темнота — вода слабо светится черенковским излучением из-за распада радиоактивных изотопов. Светочувствительные детекторы могут разглядеть его искры даже во льду.

Чтобы избавиться от помех и засечь черенковское излучение от редких столкновений нейтрино с ядрами атомов, нейтринные телескопы расположены глубоко под водой, или под горами, или, как придумал и осуществил Хальцен, подо льдом Антарктиды.

От идеи до обсерватории

Фрэнсис Хальцен вырос в Бельгии, а после защиты докторской переехал в американский Университет Висконсина. В 1980-х годах, работая с космическими частицами, Хальцен услышал, что советские исследователи планируют использовать радиоприёмники для регистрации нейтринных сигналов в Антарктиде. Идея заключалась в том, что при столкновении нейтрино с атомным ядром во льду возникает электрическая «искра», которая генерирует радиоволну. Если эта волна будет достаточно сильной, её можно будет зарегистрировать с помощью радиоантенны. Хальцен вдохновился и понял, что ещё одним методом может быть установка датчиков света в ледниковом льду и поиск вспышек света от столкновений.

Он представил свою идею улавливания нейтрино на Южном полюсе в 1988 году. Лёд относительно прозрачен, при этом на достаточно большой глубине постоянно царит полная темнота, нет никаких светящихся существ, как в океане. Толща антарктического льда (высота ледника в районе полюса — 3 км) задерживает космические лучи, к тому же территория Южного полюса геологически стабильна, не подвержена землетрясениям и на ней уже есть база — станция «Амундсен — Скотт».

Идея Хальцена получила поддержку коллег, прошли успешные испытания датчиков во льдах Гренландии, и вскоре исследователи из разных учреждений объединились вокруг Хальцена, чтобы воплотить в жизнь его идею нейтринной обсерватории в Антарктиде. Много лет Хальцен выступал в роли лидера и катализатора проекта IceCube, довёл его от стадии идеи до завершения измерений и получения научных результатов.

Затем в заполненное водой отверстие можно опустить длинный кабель с цепочками световых датчиков. Хальцен описывает эти датчики как лампочку наоборот: прибор улавливает свет, а затем преобразует его в электрический сигнал.

Обсерватория использует антарктический лёд как защиту от космических лучей и как детектор: нейтрино иногда сталкивается с ядрами составляющих лёд атомов, рождая заряженную частицу, а та вызывает черенковское излучение, — его фотон летит в ту же сторону, что и исходный нейтрино. Фактически обсерватория — это сеть узких скважин: в лёд на глубине примерно 1,5–2,5 км погружено более 5 тыс. светочувствительных модулей. Получается детектор объёмом около 1 куб. км, и не нужно строить гигантскую конструкцию — сам лёд является рабочей средой.

IceCube использует саму Землю как фильтр. Нейтрино, прилетающие с северного неба, проходят через всю Землю и затем могут попасть в детектор снизу — расположенная на Южном полюсе обсерватория следит за небом не Южного полушария, а Северного! За небом Южного полушария, наоборот, следят нейтринные обсерватории северного полушария, самая мощная из которых — российский Байкальский глубоководный нейтринный телескоп (Baikal-GVD).

Космические нейтрино с чрезвычайно высокими энергиями встречаются крайне редко, поэтому для наблюдения достаточного количества столкновений необходим огромный объём льда — именно поэтому установка IceCube занимает целый кубический километр. И всё равно интересные столкновения фиксируются хорошо если одно в год, — но всё-таки фиксируются! Как сказал Хальцен на пресс-конференции, посвящённой вручению Нобелевской премии, «самый большой риск, на который мы пошли, заключался в том, что никто не знал, достаточно ли велик детектор размером 1 куб. км, чтобы обнаружить космические нейтрино».

Поймали!

Установка IceCube была завершена в 2011 году, и вскоре исследователи обнаружили первые высокоэнергетичные нейтрино, а через несколько лет опубликовали работу с анализом данных о нейтрино, возникших далеко за пределами Солнечной системы.

Нейтринная астрономия стал ещё одним важным способом заглянуть в далёкую Вселенную, а детектор IceCube — новым «органом чувств», появившимся у астрономов. Современную астрономию называют «многоканальной»: если раньше она была наукой, основанной на визуальном наблюдении, то теперь данные получают из разных источников и, сравнивая их, выясняют общую картину.

Поиск больших космических ускорителей частиц начался всерьёз!