Аннотация:
Объявлена Нобелевская премия по физике 2026 года! Фрэнсис Хальзен, физик-теоретик бельгийского происхождения и профессор Университета Висконсин-Мэдисон, является единственным обладателем всей Нобелевской премии. Причиной награды стало признание его «решающего вклада в нейтринную обсерваторию IceCube и открытие нейтрино высоких энергий из астрофизических источников». Призовой фонд в 12 миллионов шведских крон принадлежит ему!
Китайским физикам Сюэ Цикунь и Е Цзюнь, выигравшим перед игрой двух нобелевских лауреатов, на этот раз победить не удалось.
Эта награда в полной мере присуждается физику-теоретику, которого когда-то все считали «сумасшедшим».
Последний раз премия по физике присуждалась только одному человеку в 1992 году. Разрыв составил 34 года.
Потому что 38 лет назад он предложил безумную и невероятную идею:
Отправляйтесь на Южный полюс, самое холодное и отчаянное место на Земле, и выбурите целый кубический километр десятитысячелетнего ледника, превратив его в супертелескоп, улавливающий загадочные частицы глубоко во Вселенной!
Позже он вспоминал этот прошлый инцидент и очень откровенно сказал: «Думаю, другие, должно быть, подумали о той же идее, а затем сдались. Если бы я в то время ничего не знал об оптических свойствах природного льда, я бы, вероятно, тоже сдался».
Сегодня эта идея не только изменила масштаб человеческого наблюдения за Вселенной, но, наконец, достигла высшей славы физики.
С помощью этого «Кубика льда», погребенного глубоко подо льдом, человечество впервые подтвердило:
Нейтрино высокой энергии летят издалека за пределы Солнечной системы!
Что еще интереснее, два года назад Нобелевская премия по физике была присуждена Хопфилду и Хинтону, которые заложили основы машинного обучения.
И одно из самых ярких открытий этого подольдового телескопа — нейтринное изображение нашего Млечного Пути — было получено на основе огромных данных с помощью машинного обучения.
"Призрак" во Вселенной: нейтрино
Прежде всего, нам необходимо сначала познакомиться с главным героем сегодняшнего дня — нейтрино.
Официальная иллюстрация Нобелевской премии: нейтрино, летящие по прямой и проникающие сквозь антарктические льды
Он не имеет электрического заряда, имеет почти нулевую массу и практически не взаимодействует с каким-либо веществом. Известен как «Космический призрак». В этот момент через ваши ногти проходит около 65 миллиардов солнечных нейтрино.
Почему ученые должны его искать? Потому что нейтрино — самые совершенные «посланники» во Вселенной.
В отличие от света и космических лучей, он не подвержен влиянию магнитных полей и распространяется по абсолютно прямой линии; в то же время он обладает чрезвычайно высокой проникающей способностью и не блокируется облаками пыли или радиацией.
Даже на краю сверхмассивной черной дыры глубоко во Вселенной, пока производятся высокоэнергетические нейтрино, они могут лететь по прямой на сотни миллионов световых лет, «выражая» Земле оригинальную информацию об экстремальных событиях во Вселенной.
Если люди смогут поймать эти высокоэнергетические нейтрино, это будет эквивалентно обладанию парой «прозрачных глаз», которые смогут видеть насквозь Вселенную, что позволит людям выполнять «КТ-сканирование» Вселенной.
Космические лучи отклоняются магнитным полем, гамма-лучи блокируются пылью, а нейтрино летят к Земле по прямой
Чрезвычайно безумная идея — отправиться в Антарктиду рубить лед!
Проблема в том, что его очень сложно поймать.
Подавляющее большинство нейтрино проходит непосредственно через детектор. Если количество нейтрино достаточно велико, а мишень (среда обнаружения), которую мы готовим, достаточно толстая и многочисленная, всегда найдется несколько нейтрино, которые «поразят» ядро-мишень.
Чтобы таких столкновений было достаточно, детектор должен быть смехотворно большим.
Когда нейтрино высоких энергий сильно сталкиваются в среде, образуются заряженные частицы (например, мюоны).
Скорость этих заряженных частиц, путешествующих через среду, превысит скорость распространения света в среде, создавая таким образом оптическое явление, похожее на «звуковой удар» — черенковское излучение, которое излучает слабый синий свет.
Пока мы разместим достаточное количество чувствительных оптических датчиков в чрезвычайно темной среде, чтобы улавливать эти синие огни, мы сможем определить направление, в котором летят нейтрино.
Сначала ученые хотели использовать в качестве среды морскую воду. Но глубоководная биолюминесценция (например, медузы) и естественные радиоактивные материалы могут создавать много шума.
В это время появился Фрэнсис Халцен.
Фрэнсис Халцен, в этом году 82 года
В 1980-х годах, изучая космические лучи, он услышал новость о том, что советские учёные планируют использовать радиоприемники для улавливания нейтринных сигналов в Антарктиде.
В голове Хальцена внезапно мелькнуло чудесное вдохновение: зачем мы идем к морю? Почему бы просто не использовать антарктический лед?
Антарктический ледниковый покров обладает уникальными преимуществами:
Достаточно большой
: Существуют бесконечные естественные слои льда, которые полностью удовлетворяют потребности в построении супердетекторов.Достаточно темный и достаточно чистый
: Глубоко во льду царит абсолютная темнота, без светящихся существ и без помех со стороны сложных океанских течений.Абсолютная стабильность твердого состояния
: заморозьте датчики во льду, и они навсегда останутся абсолютно неподвижными, что крайне важно для точного расчета траекторий частиц.В 1988 году Халзен и его коллега Джон Дж. Лирнед официально предложили идею строительства нейтринной обсерватории подо льдом Антарктики.
Поначалу эта идея звучала как научная фантастика. Но Харзен лоббировал повсюду и, наконец, собрал команду и начал самые жестокие годы «полярного подрядчика» в истории человечества.
Один кубический километр «Ледяного кубика» и лампочка заднего хода
Построить обсерваторию в Антарктиде далеко не так просто, как поставить палатку.
В 1993 году команда Халзена начала предварительную попытку в Антарктиде (проект АМАНДА).
Поначалу они столкнулись с огромными неудачами: неглубокий лед был наполнен пузырьками, и свет вообще не мог проходить. Но они не сдавались, и гляциологи отметили, что чем глубже они копают, тем сильнее давление будет сжимать пузырьки в кристаллическую решетку льда.
И действительно, когда они пробурили глубину ниже 1400 метров, произошло чудо — лед здесь был необычайно чистым и прозрачным. Голубая вспышка, возникающая в результате столкновения нейтрино, может беспрепятственно проникать сквозь сотни метров льда!
При поддержке Национального научного фонда (NSF) строительство IceCube было официально начато в 2004 году. Это чудо инженерной мысли.
Инженеры использовали буровые установки с горячей водой под высоким давлением, чтобы растопить вертикальные скважины глубиной более двух километров в чрезвычайно холодном ледяном покрове Антарктики.
Каждый раз, когда бурят скважину, им приходится соревноваться со временем, чтобы опустить на дно скважины сверхдлинный кабель, наполненный современными оптическими датчиками, прежде чем вода снова замерзнет.
Всего было проложено 86 таких кабелей; на кабелях висело целых 5160 сферических датчиков.
Харзен однажды с юмором описал эти датчики как «лампочки, работающие наоборот» — эти датчики улавливают слабые фотоны, преобразуют их в электрические сигналы и передают обратно на поверхность.
Кабели расположены огромным шестиугольным массивом, покрывающим лед на глубине от 1450 до 2450 метров. Таким способом учёные обвели внутри антарктического ледникового щита целый кусок чистого льда объёмом в один кубический километр и весом в один миллиард тонн. Это «Ледяной куб».
В 2011 году, когда был проложен последний кабель, был официально завершен самый большой «телескоп» на Земле.
В лаборатории Ice Cube на Южном полюсе сигналы из-подо льда собираются здесь, а затем передаются через спутники
Оно не смотрит на звездное небо, а погребено глубоко под землей; он не собирает видимый свет, а днем и ночью прислушивается к шагам космических призраков.
Диаграмма Ice Cube: нейтрино ударяются о атомные ядра во льду, а вспышка света регистрируется рядом датчиков
Из 100 миллионов ложных сигналов каждый день 100 верны
Создание телескопа — это только начало. Настоящая трудность состоит в том, чтобы идентифицировать космические нейтрино по данным.
Космические лучи проникают в атмосферу над Антарктикой, а более 100 миллионов частиц ежедневно проникают в лед и фиксируются датчиками.
Нейтрино также генерируются в атмосфере. IceCube регистрирует около 100 000 нейтрино каждый год, и большая часть из них производится в атмосфере Земли.
По теоретическим ожиданиям, реально из глубин Вселенной в год приходит лишь около 100.
В 2013 году произошел исторический прорыв!
В 2013 году команда искала тип нейтрино с более высокой энергией на основе данных за два года и обнаружила два события с энергиями, превышающими 1 ПэВ, а именно 1,04 ПэВ и 1,14 ПэВ. Это первое подтвержденное открытие высокоэнергетических астрофизических нейтрино за пределами Солнечной системы.
Эта межзвездная охота, длившаяся десятилетиями, наконец-то увенчалась успехом.
Скорректировав метод анализа с учетом этих двух событий, команда обнаружила 28 космических нейтрино высоких энергий в одном и том же наборе данных. В 2014 г. статистическая значимость достигла 5,7σ, и объяснения чисто атмосферных источников были исключены.
22 сентября 2017 года IceCube зафиксировал нейтрино с энергией около 290 ТэВ. Через минуту в мир было отправлено предупреждение.
Телескопы по всему миру немедленно сфокусировались на этой координате, и результат был ошеломляющим: появился блазар (TXS 0506+056), который безумно взрывался — активная галактика со сверхмассивной черной дырой в центре!
Это первый случай, когда люди связали нейтрино высоких энергий с точным космическим источником.
В 2022 году IceCube обнаружил 79 нейтрино со стороны активной галактики NGC 1068. Сверхмассивная черная дыра там окутана густым газом и пылью, а измеренные гамма-лучи очень слабые, но нейтрино выходят наружу.
В 2023 году IceCube впервые увидел наш Млечный Путь в нейтрино.
На этот раз решающее значение имело машинное обучение. Сотрудники IceCube из Технического университета Дортмунда в Германии разработали метод машинного обучения, позволяющий выделить «каскад» событий, вызванных ударами нейтрино, и восстановить их направление и энергию.
После использования нового метода было сохранено более чем на порядок больше нейтринных событий, а чувствительность поиска увеличена в три раза по сравнению с исходной. Команда использовала около 60 000 нейтрино из данных за 10 лет, чтобы собрать воедино то, как выглядит Млечный Путь.
Хальзен тогда сказал:
Интересно, что в отличие от любой длины волны света, нейтрино в далекой Вселенной ярче, чем ближайшие источники в нашей галактике.
Ранее в этом году IceCube использовал данные за 12 лет, чтобы довести сигнал Млечного Пути до 5,7σ. Таким образом, Млечный Путь стал первым источником нейтрино высоких энергий, преодолевшим порог открытия 5σ.
Незадолго до объявления Нобелевской премии в 2026 году команда IceCube опубликовала потрясающий результат: они наконец ясно увидели свечение высокоэнергетических нейтрино, испускаемое самим Млечным Путем! Это означает, что мы наконец-то используем нейтрино как кисть, чтобы нарисовать новый взгляд на Млечный Путь.
В одиночку откройте новую эру «мультимессенджера»
Теперь этот упрямый старик, который с 1980-х годов был одержим ловлей призраков льдом, наконец-то наступил момент своей коронации.
Марк Пирс, председатель Нобелевского комитета по физике, прокомментировал——
Международная команда под руководством Фрэнсиса Халцена предоставила нам замечательный инструмент. Его упорство и научное видение проложили путь к совершенно новому виду астрономии.
Да, это рассвет эры «многомессенджерной астрономии».
Сегодня, глядя на звездное небо, мы можем не только «видеть» с помощью света и «слышать» с помощью гравитационных волн, но мы также можем использовать высокоэнергетические нейтрино, захваченные IceCube, чтобы напрямую «видеть насквозь» самое жестокое темное ядро во Вселенной.
В настоящее время проект Ice Cube-Gen2, размер которого был увеличен в восемь раз, находится в стадии планирования.
Глобальная сеть захвата нейтрино постепенно открывается в Средиземном море, Тихом океане и китайском проекте «ТРИДЕНТ» в Южно-Китайском море.
В этот момент 65 миллиардов нейтрино, прошедшие через ваши ногти, прошли через бесконечную пустоту, прошли через превратности жизни и устремились прямо к Земле.
В самой южной точке Земли находится группа романтичных и сумасшедших землян, в кубическом километре темного чистого льда, с широко открытыми глазами, только и ждущих этого потрясающего проблеска, охватывающего сотни миллионов лет.
Возможно, это самая экстремальная романтика исследования человеком Вселенной.
Давайте отдадим должное лауреату Нобелевской премии по физике 2026 года Фрэнсису Харцену!
Комментарии