Алексей Левин

6 октября 2026 года Королевская академия наук Швеции объявила о присуждении очередной Нобелевской премии по физике Фрэнсису Халзену (Хальцену), американскому физику-теоретику бельгийского происхождения, профессору Висконсинского университета в Мэдисоне. Эту награду он получил «за решающий вклад в создание и работу нейтринной обсерватории IceCube и открытие нейтрино высоких энергий астрофизического происхождения». В предшествующем выпуске ТрВ-Наука немало говорилось о строительстве, конструкции и работе этого уникального инструмента для изучения небесных нейтринных потоков ¹. В дополнение к этой информации я кое-что расскажу о самом лауреате, его предшественниках и его первой заявке на создание антарктического нейтринного детектора, написанной совместно с весьма авторитетным коллегой-физиком. Это тем более уместно, что в нынешнем году Халзен стал единственным обладателем физического Нобеля — а такое в наше время случается нечасто. Ну и некоторые чисто технические детали тоже не помешают.

Идея IceCubeФрэнсис Халзен (neutrino.pd.infn.it)

Члены Нобелевского комитета Королевской академии своим голосованием признали исключительную важность многолетних трудов Фрэнсиса Халзена по созданию новой аппаратной базы для нейтринной астрономии и астрофизики. В 1988 году Халзен и Джон Грегори Лёрнд, профессор факультета физики и астрономии Гавайского университета в Маноа, в совместном докладе на симпозиуме предложили размещать оптические модули для детектирования внеземных потоков нейтрино в скважинах, пробуренных в антарктическом ледяном щите ². Их идея передана в короткой аннотации: «Мы обсуждаем возможность детектирования черенковского света высокоэнергичных мюонов, двигающихся в глубине оптически чистого полярного льда. Мы показываем, что такое детектирование открывает возможность постепенного создания нейтринного телескопа в таком месте и в такой среде, которые привлекательны с физической точки зрения и в то же время обеспечивают бо́льшую эффективность по отношению к затратам, нежели альтернативные предложения». Далее авторы кратко обосновывают научную полезность такого телескопа, обсуждают детали его устройства и целесообразность размещения на Южном полюсе и подчеркивают необходимость срочного начала полевых исследований для изучения оптических свойств антарктического ледяного щита. Эти рассуждения иллюстрируются схематическим изображением ледяного пласта со скважинами для фотоумножителей, которое я тоже с удовольствием воспроизвожу.

Доклад заканчивается весьма смелым предсказанием: «Хотя Южный полюс может быть не так приятен, как Гавайи, или не так удобен, как Арканзас либо даже озеро Байкал, он может оказаться наилучшим местом для рождения астрофизики нейтрино высоких энергий». Как известно, этот прогноз полностью оправдался, а доклад Халзена и Лёрнда стал началом долгого и непростого пути к созданию крупнейшего в мире нейтринного супертелескопа. В 2001 году Халзен был утвержден научным руководителем этого проекта и остается им в настоящее время. Профессор Лёрнд, несмотря на весьма почтенный возраст (ему 86 лет, он четырьмя годами старше Халзена), до недавнего времени продолжал заниматься физикой и астрофизикой нейтрино, включая участие в работе японского подземного детектора SuperKamiokande. В 2026 году он вышел в отставку.

На всякий случай отмечу, что строительство первой очереди нейтринного супертелескопа началось в 2001 году и завершилось в декабре 2010 года. В феврале 2026 года он получил новые оптические модули, которые увеличили точность измерений и в целом расширили его возможности по части будущих наблюдений. Ему посвящен огромный массив печатной и сетевой популярной и полупопулярной литературы, куда заинтересованные читатели могут погрузиться без малейших проблем ³.

Из истории нейтринной астрономии

Теперь углубимся в более далекую историю. В принципе, идея американских физиков была далеко не новой. В конце лета 1960 года член-корреспондент АН СССР и будущий академик Моисей Александрович Марков, выступая на состоявшейся в Рочестере 10-й Международной конференции по физике высоких энергий, предложил детектировать приходящие из космоса и рожденные в земной атмосфере потоки нейтрино с помощью фотоумножителей, погруженных в подземные водоемы или океанские глубины. По мысли Маркова, эти приборы могли эффективно регистрировать кванты черенковского излучения вторичных релятивистских мюонов, рождающихся при столкновениях высокоэнергетичных нейтрино космического и атмосферного происхождения с протонами и нейтронами атомных ядер рабочего вещества детектора (для воды это ядра водорода и кислорода). Его сообщение появилось в трудах конференции. Так что Маркову принадлежит бесспорный приоритет в выдвижении концепции нейтринного детектора, отслеживающего следы этих частиц при анализе черенковского излучения мюонов. А уж что используется в качестве рабочего тела детектора — вода, лёд или иное вещество с высокой оптической прозрачностью, например минеральное масло, — это вопрос техники.

Выступление Маркова в том же году было опубликовано в сборнике материалов конференции ⁴. И оно было только началом. Вскоре он и его ученик, сотрудник лаборатории нейтринной физики ФИАНа Игорь Михайлович Железных, детально обосновали эту концепцию, которую они начали обдумывать еще до конференции. В 1998 году в России начал и продолжает действовать глубоководный нейтринный телескоп на озере Байкал, конструкция которого основана на их работах.

Джон Лёрнд (indico.phys.hawaii.edu)

С аналогичными предложениями выступали и другие физики. В 1973 году один из первооткрывателей нейтрино, будущий лауреат Нобелевской премии Фредерик Райнес, на неформальной встрече с несколькими участниками конференции по космическим лучам в Денвере, среди которых были Джон Лёрнд и один из основоположников нейтринной астрофизики Морис Мандель Шапиро, предложил общую концепцию подводного детектора космических мюонов и нейтрино, а затем возглавил дальнейшие обсуждения этой темы. На основе их результатов Лёрнд через свой университет инициировал и затем координировал проект DUMAND (Deep Underwater Muon and Neutrino Detector), который предполагал размещение оптических модулей и высокочувствительных гидрофонов в километровом объеме океанской воды на глубине 4800 м неподалеку от гавайского побережья. Хотя этим проектом занималась сильная международная коллаборация с участниками из США, ФРГ, Японии и Швейцарии, его практическая реализация столкнулась с рядом трудностей. Только в 1993 году удалось погрузить в океан одну цепочку фотоумножителей, соединенную подводным кабелем с береговой аппаратурой. Однако она передавала сигналы всего лишь 10 часов и затем перестала действовать из-за протечки воды в контрольный блок. В 1995 году Министерство энергетики США отказало проекту в финансировании, что и стало его концом. После этого эстафета глубоководного детектирования космических мюонов и нейтрино перешла к Байкальской обсерватории, возглавляемой замечательным физиком Григорием Владимировичем Домогацким.

Тем не менее DUMAND занял важное место в истории нейтринной астрономии. Его участникам удалось доказать принципиальную возможность создания глубоководного детектора космических нейтрино самых высоких энергий. Именно самых высоких — это необходимо отметить. Он не был заточен на регистрацию солнечных нейтрино или нейтрино, которые рождаются при взрывах сверхновых, чьи энергии не превышают нескольких десятков МэВ. Целью проекта был отлов нейтрино с энергиями, измеряемыми как минимум гигаэлектронвольтами (подчеркиваю — как минимум!). Поскольку в глубоком космосе они в основном рождаются в распадах адронов высоких энергий (и прежде всего мезонов), их первичные потоки на две трети состоят из мюонных нейтрино. Как будет объяснено ниже, при прохождении межгалактических дистанций ароматный состав этих потоков меняется, однако мюонная компонента всё равно остается. При взаимодействии с обычным веществом, включая океанскую воду рабочей зоны подводного детектора, мюонные нейтрино в изобилии порождают релятивистские мюоны (эти взаимодействия в деталях описаны ниже). Мюоны нестабильны и со временем распадаются, однако из-за релятивистского замедления времени успевают уйти от своих источников на достаточно большие дистанции. Поскольку их скорость превышает фазовую скорость света в воде, они генерируют хорошо известное черенковское излучение, которое регистрируется фотоумножителями. Таким образом, релятивистские мюоны служат посредниками в передаче информации от нейтрино к оптическим модулям.

Как раз такую концепцию детектора предложил Марков, и именно ее планировали реализовать на практике (и частично реализовали) участники проекта DUMAND. Важно отметить, что в 1970-е годы среди них были сам Марков и заведующий отделом лептонов высокой энергии и нейтринной астрофизики Института ядерных исследований АН СССР Георгий Тимофеевич Зацепин, который присутствовал и на денверской конференции. Позднее он стал одним из инициаторов создания Байкальской нейтринной обсерватории.

Физическая подоплекаСхема антарктического детектора астрофизических нейтрино высоких энергий из статьи Халзена и Лёрнда

Теперь вернусь к предложению Халзена и Лёрнда. Его новизна состояла в рекомендации использовать в качестве среды для улавливания нейтрино не воду, а глубинный лед центральной области Антарктиды. Разница здесь в следующем. Как уже отметил Борис Штерн в предыдущем выпуске ТрВ-Наука, для черенковских фотонов такой лёд прозрачней жидкой воды. Он находится под давлением в сотни атмосфер, которое практически полностью разрушает находящиеся там воздушные пузырьки. В результате такого сдавливания лёд приобретает монокристаллическую структуру и по прозрачности может соперничать с оптическим стеклом. Поэтому черенковское излучение без помех распространяется в нем на десятки и сотни метров. Кроме того, на глубинах размещения оптических модулей (от 1450 до 2450 м) царит абсолютная темнота, что позволяет фотоумножителям регистрировать даже единичные фотоны. Наконец, на такие глубины почти не проникают никакие космические частицы за исключением нейтрино, которые чрезвычайно слабо реагируют с земным веществом (но, стоит заметить, отнюдь не с материей звездных недр!). Конечно, бурение километровых скважин для установки фотоумножителей сложнее и дороже их погружения в толщу озерной или морской воды. Но всё же, как показала история обсерватории IceCube, для современных технологий эта проблема вполне решаема. Кстати, реализация проекта Халзена и Лёрнда обошлась в довольно скромную сумму, «всего-то» 270 млн долл.

Но откуда же в воде или во льду берутся мюоны? Это несложно объяснить. Источниками астрофизических нейтрино высоких энергий (от сотен ГэВ до сотен ПэВ и даже выше) служат в основном активные ядра галактик, гамма-всплески и массивные звезды, гибнущие при сближении с черными дырами. Эти космические суперкатаклизмы в изобилии рождают положительные и отрицательные пионы высоких энергий. Пион при распаде почти всегда (в 99,98% случаев) дает начало мюону того же знака и мюонному нейтрино или антинейтрино. Новорожденный отрицательный мюон превращается в электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино. Распад положительного мюона идет по другой схеме — на его месте возникают позитрон, электронное нейтрино и мюонное антинейтрино. Тау-нейтрино там практически отсутствуют, поэтому вблизи от космических источников нейтрино одна треть приходится на электронную компоненту и две трети — на мюонную. Однако во время перелетов на межгалактические масштабы мюонные нейтрино из-за квантовых осцилляций частично превращаются в тау-нейтрино. Поэтому на Земле все три нейтринных аромата наблюдаются в сопоставимых долях.

Как уже говорилось, в рабочем теле детектора мюонные нейтрино сталкиваются с нуклонами атомных ядер и порождают мюоны. Полноты ради отмечу, что астрофизические тау-нейтрино с энергиями как минимум в десятки и сотни ГэВ взаимодействуют не с барионами, а с составляющими их кварками. Эти столкновения полностью разрушают нейтроны и протоны, порождая адронные струи. Такие реакции тоже наблюдались на детекторе IceCube, хотя и чрезвычайно редко. Весной 2024 года участники действующей там коллаборации сообщили, что в 2010-е годы было с уверенностью зарегистрировано лишь семь прилетов тау-нейтрино из глубокого космоса с энергиями в диапазоне от 20 ТэВ до 1 ПэВ. Кстати, это вывод был сделан благодаря анализу показаний оптических модулей с помощью специализированных нейросетей.

О Халзене

Разобравшись с физикой, расскажу кое-что о самом лауреате. Фрэнсис Халзен родился 23 марта 1944 года. Он появился на свет в историческом Брабанте, фламандской части Бельгии, в небольшом городе Тинен всего с двадцатью тысячами жителей. Его родным языком был голландский. Его отец, дед и даже прадед занимались строительным бизнесом. В школе он изучал латынь и древнегреческий, но также уделял много сил математике. Окончив школу, он поступил в Лёвенский католический университет, где в 1966 году получил степень магистра. После этого ему была предложена должность школьного учителя, которую он собирался занять в начале учебного года. Однако Лёвенский университет выделил ему аспирантскую стипендию в отделении теоретической физики, и Халзен ее принял. Три года спустя он защитил написанную на голландском языке докторскую диссертацию по теории элементарных частиц. Стоит отметить, что это тот самый университет, который в 1920 году окончил Жорж Анри Леметр и где он почти сорок лет вплоть до выхода в отставку в 1964 году был профессором астрофизики, а затем прикладной математики. Так что Халзен в студенческие годы, в принципе, мог бы с ним встречаться — однако, насколько я знаю, этого не случилось.

После защиты Халзен два года провел в ЦЕРНе в качестве постдока, где постоянно общался с американскими физиками и приобрел много полезных контактов. В это время он опубликовал две статьи по теории струн, которые, как он признался в 2020 году интервьюеру из Американского института физики Дэвиду Цирлеру, никто не заметил. После этого он потерял интерес к этой теме и более к ней не возвращался.

В 1972 году Халзена пригласили в Висконсинский университет на полугодовую временную должность. В этом ему очень повезло, поскольку тогда в Мэдисоне была самая большая в США группа физиков-теоретиков. В беседе с Цирлером Халзен назвал ее «Диснейлендом физики частиц». В США он всерьез погрузился в теорию кварков и теорию электрослабого взаимодействия, которые тогда быстро обретали лидирующие позиции в этой области физики. Вскоре он получил в Мэдисоне постоянную профессорскую должность, которую занимает до сих пор. Именно там он и занялся нейтринными исследованиями, которые в конечном счете привели к созданию антарктического супертелескопа. Когда Халзен стал нобелевским лауреатом, эта сторона его профессиональной биографии освещалась во многих публикациях. Пересказывать их я не буду.

Как известно, противники решения шведских академиков сочли, что результаты научной деятельности Халзена недостаточно фундаментальны, чтобы оправдать столь высокую награду. Не оспаривая их права на такое мнение, я хотел бы процитировать компетентное суждение одного из создателей квантовой электродинамики Фримена Дайсона из его нашумевшего эссе «Ученый как бунтарь» ⁵. Дайсон заметил, что «великие прорывы в науке обычно оказываются результатом появления новых инструментов, а не новых доктрин». Это наблюдение можно в полной мере отнести к трудам и дням Халзена.

* * *

О Фрэнсисе Халзене, как и об истории обсерватории IceCube и результатах работающей там международной коллаборации, можно рассказывать долго, подробно и занимательно. Ее участники сделали и, несомненно, сделают очень нетривиальные открытия. Однако это не моя тема. Опять-таки сошлюсь на предшествующий выпуск «Троицкого варианта», где она освещена вполне подробно.

Но вот главный вывод. Детектирование астрофизических нейтрино, равно как и регистрация волн тяготения, позволили расширить астрофизические эксперименты на область очень высоких энергий, которая раньше была недоступна для наблюдений. Это прекрасно, замечательно и очень перспективно. Однако в этой заметке для таких вещей (увы, как и для много другого) просто не хватает места. Так что еще раз пожалеем, что нельзя объять необъятное, и порадуемся за великую науку астрофизику, чьи достижения вновь отмечены нобелевским признанием.

Алексей Левин

---

¹ www.trv-science.ru/2026/10/nobel-2026-neutrino-iz-glubin-kosmosa/

² Fransis Halzen and John G. Learned. High energy neutrino detection in deep polar ice. UH-511-659-88, MAD/PH/428, June 1988.

³ Cм., напр.: Боуэн М. Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия / Пер. с англ.: П. Миронов. — М.: АСТ, 2019.

⁴ Proceedings of the 1960 Annual International Conference on High-Energy Physics, University of Rochester/Interscience, Rochester, NY, p. 578.

⁵ Dyson F. The Scientist as Rebel. The New York Review of Books, May 25, 1995.