Фото и иллюстрация нейтринного телескопа IceCube. IceCube Collaboration/NSFФрэнсис Хальцен. Фото: National Academy of Science, США

Наступившая неделя — нобелевская. С 5 по 9 октября оглашаются лауреаты основных премий, 12-го объявят лауреата премии по экономике. 10 декабря состоится торжественное вручение. На момент сдачи номера известны результаты в трех номинациях. Премию по физиологии и медицине получили Карл Дейссерот (США), Петер Хегеман и Георг Нагель (Германия) «за открытия, приведшие к созданию оптогенетики, позволяющей включать и выключать активность отдельных нервных клеток в живом мозге». Премию по химии получили Анри Каган (Франция) и Кенсо Соаи (Япония) за открытие нелинейных эффектов и автокатализа в асимметричном органическом синтезе. А в области физики лауреат один — это Фрэнсис Хальцен (Бельгия — США), совершивший, по формулировке Нобелевского комитета, «решающий вклад в нейтринную обсерваторию IceCube и открытие высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения».

Вся мировая пресса в эти дни старается разобраться и разъяснить читателям, что это за частица — нейтрино, что наблюдают в нейтринных обсерваториях и для чего это нужно. Для ТрВ-Наука эта тема, однако, родная и хорошо изученная, ей было посвящено множество публикаций, и результаты нобелевки по физике было кому прокомментировать в выпусках YouTube-канала ТрВ-Наука (см. youtu.be/auXCZrgl4NI и youtu.be/SLHxNSDxmg8, а также vk.com/trvscience и rutube.ru/channel/36379070/). Вопросы задавал ведущий канала, популяризатор астрономии Алексей Кудря.

— Борис Евгеньевич, знакомы ли с лауреатом? Что знаете о нём и его вкладе в создание обсерватории?

Борис Штерн: Должен признаться, Фрэнсиса Хальцена я не знаю. Со многими физиками, которые занимаются космическими лучами высокой энергии, я знаком, с ним — нет. А про сам эксперимент кое-что, конечно, знаю.

Идея состоит в том, чтобы вморозить глубоко в антарктический лед, в скважины, нити с фотоумножителями. Эту схему придумали не они. Идею выдвинул Моисей Александрович Марков. Раньше ее пытались применить в воде — в морях и у нас на Байкале. На Байкале сейчас работает действующая установка Baikal-GVD, которая уже близка к тому, чтобы конкурировать с IceCube, а отчасти уже и конкурирует.

В отличие от Baikal-GVD, в IceCube детекторы находятся не в воде, а во льду. Чем лед отличается от воды? Как ни странно, он прозрачнее: длина пробега фотона во льду больше. Зато во льду много всяких дефектов (пузырьков и так далее), поэтому фотон летит не по прямой, а диффундирует, хотя и очень далеко. У этого есть как свои недостатки, так и свои преимущества.

— IceCube действительно первым уверенно зарегистрировал астрофизические нейтрино. Откуда мы знаем, что это именно они?

— Вопрос первый: откуда известно, что это нейтрино, а не что-то, летящее из атмосферы? Нейтрино регистрируют из нижней полусферы, то есть из-под земли, — направление восстанавливают по времени пролета через разные датчики. Вопрос второй: откуда известно, что нейтрино прилетело издалека, а не родилось в атмосфере? По их энергии. В атмосфере нейтрино появляется так: рождается, допустим, К-мезон, который потом распадается на что-то плюс нейтрино, и это нейтрино ловят. При очень высоких энергиях К-мезон из-за лоренцевского замедления времени не успевает распасться. Он взаимодействует с веществом и каскадирует, и адроны не успевают нормально родить нейтрино высоких энергий.

Поэтому начиная с какой-то энергии, по-моему, в районе сотни тераэлектронвольт (ТэВ), атмосферный фон резко падает, и значительная часть нейтрино уже имеет астрофизическое происхождение. Спектр атмосферных нейтрино на высоких энергиях завален: выше этого масштаба становится всё больше нейтрино, пришедших из космоса. Такие нейтрино IceCube и зарегистрировал первым.

В принципе, это довольно очевидная, легко просчитываемая вещь. Понятно, что астрофизические нейтрино должны существовать. Известны процессы, в которых они рождаются: протоны реагируют либо с веществом в Галактике, либо (при очень больших энергиях) с фотонами и в конце концов рождают нейтрино. Поэтому сама по себе регистрация, я бы сказал, не очень интересна.

Гораздо интереснее другое. Где-то в 2017 году IceCube зарегистрировал нейтрино с энергией около 300 ТэВ (неопределенность по энергии там довольно большая), которое по направлению совпало с одним из блазаров ¹. Этот блазар мы прекрасно видим в гамма-диапазоне. Называется он TXS, а дальше идет «телефонный номер», который начинается с 0506 ².

Потом залезли в архивные данные и увидели, что от этого же блазара шел поток менее энергичных нейтрино. Их можно спутать с атмосферными, но превышение уже статистически значимо. Потом, по-моему, нашелся еще один источник, но здесь я не уверен ³. Теперь люди сопоставляют нейтрино с блазарами, и положительный сигнал вроде бы есть. Вот это интересно.

Вскоре после этого, в 2018 году, я написал в «Троицком варианте» статью под названием «Первый крик нейтринной астрономии» [1]. На меня тут же набросились: люди, мол, давно занимаются нейтринной астрофизикой, есть солнечные нейтрино, нейтрино от сверхновых. Но это скорее астрофизика, а не астрономия. Чтобы с помощью нейтрино увидели конкретный астрофизический объект — это, фактически, был первый раз.

Интересно то, что действительно было неочевидно.

Мне немного жаль, что премию дали до того, как «раскрутился» наш «Байкал». У байкальцев тоже начинаются значимые результаты. Если бы премию присудили позже, наша коллаборация вполне могла бы ее разделить.

— Получается, Хальцену дали премию и за всех, кто многие годы изучал эти нейтрино. А каков вклад российских и советских ученых?

Они, так скажем, подтягиваются. Они тоже видят астрофизические нейтрино, у них тоже есть намеки на объекты. Видит ли «Байкал» TXS 0506, честно говоря, не знаю — это надо спросить у сына, он как раз работает на Байкальской установке ⁴. Что-то они уже видят. Байкальцы наступают на пятки IceCube, но пока что находятся позади.

Нейтринная обсерватория IceCube. Фото Кристофера Мишеля

— Вы сами работали на Баксанской нейтринной обсерватории. Эти исследования как-то связаны с астрофизическими нейтрино?

— Нет. Апертура там слишком мала, чтобы зарегистрировать астрофизические нейтрино. Там есть детектор, который видит нейтринные мюоны, идущие из-под земли. Это нейтрино, но нейтрино атмосферные. Выделить среди них астрофизические на таком маленьком детекторе нельзя, так что на Баксане это, к сожалению, не получится.

На Баксане есть и другая установка, где работает наш коллега Илья Мирмов. Но там солнечные нейтрино, то есть нейтрино малых энергий. Это другой край шкалы.

— Еще раз, что отличает именно астрофизические нейтрино от других?

— Гигантская энергия — выше примерно сотни ТэВ. Атмосферные нейтрино таких энергий не рождаются, и бо́льшая часть того, что выше 100 ТэВ, — это астрофизика: квазары, блазары, а также просто протоны сверхвысоких энергий, которые летают в космосе, взаимодействуют и рождают нейтрино.

Блазары, конечно, интереснее, причем блазары определенного типа — лацертиды ⁵. Это «недокормленные» блазары: аккреционный диск у них не очень яркий, но джет вполне приличный. Условия для ускорения протонов до очень высоких энергий там лучше, чем в самых интенсивных, ярких блазарах.

— Как человек, многие годы занимавшийся нейтрино, как вы оцениваете решение Нобелевского комитета?

— Как проходное. Дали не зря, но особенного прорыва не было. Новые результаты есть, только воображение они не потрясают. Можно сказать, это нормально: таких конкурирующих прорывных результатов в этом году просто не было. Хорошо, что дали. В принципе, это интересное направление, которое открыло в астрофизике новое энергетическое окошко.

— То есть премию можно назвать «по выслуге лет»?

— Да, и таких премий много.

IceCube в разрезе. Иллюстрация: Karen Andeen and Matthias Plum, IceCube Collaboration

— Чего можно ждать от IceCube в будущем?

— Более интересных результатов. Хотелось бы, чтобы объем детектора увеличили, и это делается ⁶. И хотелось бы явно видеть блазары в нейтрино высоких энергий — не один-два источника и не только статистические корреляции. Надежды на будущее очень большие.

— Что это даст физике?

— Это даст понимание природы блазаров и ускорения в них частиц, в первую очередь протонов. У меня есть некоторые интересные идеи о том, как там ускоряются протоны до очень больших энергий, но излагать их сейчас я не буду.

— Можно будет узнать, как формируются джеты?

— Нет, это другая история. Джеты формируются независимо, а здесь речь о том, что происходит уже в сформированных джетах.

— А о строении и образовании квазаров?

— Нет, к этому никакого отношения. Как работают блазары и как они запускают джеты, примерно известно, это отдельная задача. Наша задача — как ускоряются частицы в джетах. Это очень интересно и, кстати, не очень понятно: возможностей несколько, и как они соотносятся между собой, неясно.

— Сергей Борисович, что это за человек — Фрэнсис Хальцен — и почему премия досталась именно ему?

Сергей Попов: Начну с комментария, в надежде, что Нобелевский комитет когда-нибудь его услышит: капля камень точит. Мне кажется, в физике особенно (а может быть, и в других номинациях — физиологии и медицине, химии) Нобелевскому комитету стоит немного поменять правила и сделать как в Премии мира. Премию мира может получить организация — Красный Крест, МАГАТЭ, — а не обязательно человек. В физике так нельзя.

Мы помним, что, когда премию вручали за открытие гравитационных волн, вышла довольно сложная коллизия: выбрать тройку было тяжеловато, и обиженные в коллаборации LIGO, скажем так, есть ⁷. Это касается всех больших экспериментов. Наверное, было бы лучше, если бы премию получил IceCube как эксперимент в целом — как Красный Крест.

Но в данном случае ситуация проще. Фрэнсис действительно единственный principal investigator, научный руководитель этого проекта. Он стоял у его основ, с самого начала руководит им и отвечает за него. В духе Жванецкого: «Я вами руководил, я отвечу за всё». Это именно такой человек, поэтому здесь было попроще.

Может быть, на месте Нобелевского комитета я бы дал полпремии какому-нибудь другому нейтринному проекту. Но если говорить о нейтрино высоких энергий, то делиться пока, вообще говоря, не с кем: другие проекты или гораздо мельче, или только-только начали что-то получать.

— Почему астрофизика этих нейтрино требует таких монструозных конструкций и таких экзотических мест?

— Так же, как в физике космических лучей: чем выше энергия частиц, тем меньше таких частиц. Так почти всегда. Десятидолларовых купюр больше, чем стодолларовых, а стодолларовых больше, чем тысячедолларовых.

Если в астрофизике космических лучей вы хотите получать хоть какие-то космические лучи, хватит счетчика Гейгера карманного размера. Но чтобы регистрировать самые высокоэнергичные частицы, одним детектором уже не обойтись. Обсерватория имени Пьера Оже покрывает тысячи квадратных километров ⁸.

С нейтрино примерно то же самое. Есть, например, «Супер-Камиоканде» — большой чан с водой, облепленный фотоумножителями. Но стало ясно, что для высоких энергий нужны большие детекторы. А цистерну с водой 1×1×1 км не построишь. Технически секрета в этом нет, но стоимость настолько неимоверная, что про это можно забыть.

Зато есть природные водоемы. Вначале, естественно, думали расположить детекторы в морях и океанах. Но первые тесты показали, что это трудно. Как говорил Бродский в «Новом Жюль Верне», в воде всё всегда извивается: мешают течения, мешает всякий светящийся планктон. В общем, плохо. Там еще и атомные подводные лодки плавают.

Поэтому выбрали другой путь. Лед не только не болтается, но и при высоком давлении прозрачен. Примерно ниже километра начинается лед действительно очень прозрачный — как твердая вода. Нужен километр льда под непрозрачным слоем, а такая толщина ледяного покрова есть именно в Антарктиде. Первые полтора километра в скважинах идут просто тросы, а дальше на километр висят детекторы.

— Что происходит, когда нейтрино попадает в детектор?

— Нейтрино в детектор не попадает. Оно летит, причем с севера, то есть сквозь Землю, и Земля служит естественным фильтром для огромного фона атмосферных мюонов. Нейтрино летит снизу, поэтому, находясь в Антарктиде, наблюдают северное небо, а детекторы в Средиземном море, наоборот, наблюдают южное.

Нейтрино передает энергию, например, электрону. Электрон движется в воде или во льду со скоростью больше скорости света в этой среде и испускает черенковское излучение. Эту оптическую вспышку и регистрируют: поочередно засвечиваются разные детекторы, и по ним определяют направление на источник. Это очень важно, потому что космические лучи отклоняются магнитным полем, а нейтрино летит по прямой. Тогда можно обнаружить сам источник или по крайней мере локализовать его в очень небольшой области неба⁸. Кроме того, можно измерить энергию электрона, поскольку видно, как он ее отдает, и затем немного модельно-зависимым образом посчитать, какой была энергия нейтрино.

— Чего вы ждете от открытий в области астрофизических нейтрино?

— Самое главное — понять, кто же их испускает. Пока идентифицировано всего несколько источников, среди них надежно — блазар. Стало быть, ясно, что джеты от дисков вокруг сверхмассивных черных дыр, в принципе, могут генерировать такие частицы. Но это не объясняет все нейтрино, которые видит IceCube.

Периодически появляются статьи о совпадениях со вспышками сверхновых. Тогда источником может быть ударная волна, которая выходит из звезды: на сильной ударной волне можно ускорять частицы, и в этих процессах могут рождаться нейтрино высокой энергии. Были и работы о том, что вклад в события IceCube могут давать случаи приливного разрушения звезд сверхмассивными черными дырами, которые опять-таки дают диски и джеты. Но по большому счету ни то, ни другое не очень доказано.

Итак, источниками высокоэнергетических нейтрино должны быть не только блазары, но и какие-то другие объекты. И мне как астрофизику интереснее всего, что же это за объекты.

Сейчас, к счастью, заработали детекторы в Средиземном море. Это итало-французская коллаборация KM3NeT: детектор ARCA у побережья Италии, ORCA — Франции. Вместе с IceCube, который недавно, кстати, чуть-чуть модернизировали и добавили гирлянд, они увеличат статистику. Наверное, хорошая локализация все-таки позволит выявить источники.

Указать маленькую точку на небе и сказать «вот в этой галактике это вспыхнуло» нейтрино все-таки не могут. Нужно одновременно увидеть событие в электромагнитном диапазоне в нужном месте и в нужное время. Дальше совместный анализ покажет, случайно ли совпадение (например, какой-нибудь необычной сверхновой и роста потока нейтрино высокой энергии) или есть действительно физическая связь и эту сверхновую можно назвать источником.

— Когда вспыхивает сверхновая, начинается поток нейтрино, правильно?

— Да, но низкой энергии.

— То есть IceCube или байкальский детектор такого не могут зарегистрировать?

— Видеть могут, но такие события отфильтровывают ⁹. Событий с нейтрино низких энергий много, нас интересуют с самой высокой энергией, поэтому всё ненужное просто урезают. IceCube регистрирует огромное количество событий, важно отобрать действительно нужные, и в этом смысле нужных событий немного. За пятнадцать лет работы IceCube событий действительно высокой энергии у них порядка сотни ¹⁰.

— Все ждали, кому же вручат премию в текущем году. Вы надеялись на этот результат или на какой-то другой?

— Честно говоря, фаворитов у меня не было. Я, естественно, задумывался, может ли премию получить кто-то из астрофизиков. Но идея про IceCube мне в голову не пришла. Отчасти потому, что это немного не моя область. Отчасти потому, что речь все-таки идет о создании установки, которая успешно работает. То, что нейтрино высокой энергии существуют, мы и так знали: куда им деваться, они должны быть. Мне казалось, что Нобелевский комитет предпочитает давать премии за более, как сказать, хорошо артикулированные открытия.

Но, в общем, премия заслуженная. Если задуматься, с точки зрения физики это действительно очень важно. Например, Обсерватория имени Пьера Оже свою Нобелевскую премию пока не получила, хотя бы пополам с HiRes, хотя они показали наличие завала Грейзена — Зацепина — Кузьмина ¹¹. На мой взгляд, они, может быть, были бы лучшими кандидатами. Но это тонкости, на самом деле все хороши, да и это все-таки не спорт.

Так же и в четверг мы ждем Нобелевскую премию по литературе, и многих есть свои ожидания, кто станет лауреатом. Я бы порадовался, если бы ее дали, скажем, Салману Рушди. Почему бы и нет! Но есть много хороших писателей, которые ее заслуживают, и, наверное, ничуть не меньше Салмана Рушди.

1. Первый крик нейтринной астрономии. www.trv-science.ru/2018/07/pervyj-krik-nejtrinnoj-astronomii

2. Новая ветвь астрономии: в поисках нейтрино высоких энергий. www.trv-science.ru/2021/03/v-poiskax-neutrino-vysokix-energij

3. Где рождаются нейтрино? www.trv-science.ru/2020/05/gde-rozhdayutsya-neutrino

---

¹ Блазар — активное ядро галактики, джет которого направлен почти точно на наблюдателя.

² TXS 0506+056, около 4 млрд световых лет от нас. Нейтрино IceCube-170922A зарегистрировано 22 сентября 2017 года, наиболее вероятная энергия — около 290 ТэВ; в архиве 2014–2015 годов нашелся избыток нейтрино с того же направления (3,5σ). Результаты опубликованы онлайн в Science 12 июля 2018 года.

³ Еще один источник, для которого IceCube в 2022 году сообщил свидетельство нейтринного излучения (4,2σ), — галактика NGC 1068 (M 77). Это не блазар, а сейфертовская галактика.

⁴ В апреле 2021 года Baikal-GVD зарегистрировал событие-кандидат с энергией около 224 ± 75 ТэВ, направление которого в пределах погрешности совместимо с положением TXS 0506+056.

⁵ Объекты типа BL Ящерицы (BL Lacertae) — блазары с очень слабыми наблюдаемыми эмиссионными линиями, что обычно связывают с тусклым аккреционным диском. Для TXS 0506+056 обсуждается и другая трактовка — «замаскированный» блазар с обычным диском.

⁶ Модернизация IceCube Upgrade (пять новых гирлянд, более 600 датчиков) завершена в феврале 2026 года и нацелена в основном на калибровку и низкие энергии. Увеличение объема примерно до 8 км³ предусматривает предлагаемый проект IceCube-Gen2.

⁷ Нобелевская премия по физике 2017 года присуждена Райнеру Вайссу, Барри Бэришу и Кипу Торну, хотя авторов открытия в коллаборациях LIGO и Virgo было более тысячи. По правилам Нобелевские премии (кроме мира) могут разделить не более трех ученых.

⁸ Обсерватория имени Пьера Оже (Аргентина) — 1660 водных черенковских детекторов на площади 3 тыс. км².

⁹ Нейтрино от вспышки сверхновой в нашей галактике (энергии порядка 10 МэВ) IceCube регистрирует иначе — по одновременному росту темпа счета всех фотоумножителей.

¹⁰ Число зависит от критериев отбора. Так, в выборке данных HESE (High Energy Starting Events) за 12 лет (2010–2022) — 164 события.

¹¹ Падение потока космических лучей с энергиями выше ~5·1019 эВ из-за взаимодействия протонов с реликтовым излучением, предсказанное в 1966 году.