Нобел 2026: Ледът на Южния полюс разкрива космически ускорители на частици

Франсис Халзен , носителят на Нобеловата награда за физика за 2026 г., полага основите на изцяло нов вид астрономия. Неговата е идеята да се използва ледения щит на Южния полюс, за да улови призрачните частици, наречени неутрино. Резултатът е Неутринната обсерватория IceCube, която може да проследява частици неутрино, изващи от далечния космос.

Неутриното е най-трудно засичаната частица във Вселената, тя няма електрически заряд и почти няма маса. Като цяло, то преминава незабелязано през материята - рядко неутрино се усеща чрез сблъсък с атомно ядро. Всяка секунда, без да забележим, 65 милиарда неутрино от Слънцето преминават през нокътя на кутрето ни.

Неутрино идват и от други области на космоса, носейки улики към някои от загадките на космоса. Изследователи, които успеят да уловят тези по-редки космически неутрино, могат след това да извлекат информация за екстремните среди във Вселената, откъдето са възникнали.

През 80-те години на миналия век Франсис Халзен осъзнава, че антарктическият лед може да е идеален за улавяне на достатъчно количество от тези потайни частици, за да могат изследователите да научат повече за техния далечен произход. Той бързо убеждава други учени в потенциала на идеята си и през 1992 г. група изследователи и инженери правят първите опити да спуснат светлинни сензори в леда на Южния полюс. Пробивът идва около двадесет години по-късно: неутринният детектор IceCube регистрира неутрино със свойства, които убеждават изследователите, че произхождат от далечни региони на космоса. Търсенето на източниците на неутрино във Вселената започва.

Физиката на елементарните частици среща астрофизиката

Халзен израства в Белгия. Той е увлечен от физиката на елементарните частици заради напредъка в областта през 60-те години на миналия век и първоначално се фокусира върху масивни частици, изградени от кварки. Скоро след като завършва докторантурата си, се мести в Университета на Уисконсин-Мадисън в САЩ. По-късно разбира какво може да научи физиката на елементарните частици от частиците, които достигат до нас от космоса - и как астрофизиката от своя страна може да се възползва от физиката на елементарните частици.

Мотивацията, която стои в основата на търсенето на неутрино, идва от наблюденията на напълно различни частици. Космосът непрекъснато се пресича от частици, които общо се наричат ​​космически лъчи. Обикновено тези частици са протони, които са голи атомни ядра на водород. Протоните от космоса понякога могат да достигнат до нас с изумително количество енергия, много повече, отколкото е възможно да им се даде в ускорител на частици на Земята.

Произходът на космическите лъчи с най-екстремни енергии е една от най-добре пазените тайни на Вселената. Тъй като физиката ни казва, че процесите, които могат да ускорят протоните до високи енергии, водят и до появата на неутрино с високи енергии, неутриното биха могли да предоставят важни улики за тези космически ускорители на частици.

Нужно е да се разделят частиците неутрино, носещи огромни количества енергия от неутриното със значително по-ниска енергия, които идват от разпадащи се радиоактивни вещества от Слънцето. Високоенергийните неутрино не произхождат от заобикалящата ни среда, те трябва да идват отнякъде далеч, много далеч - може би от бурни процеси в региони, където звезди са експлодирали, или от далечни активни галактики.

Проблясъци в леда

През 80-те години на миналия век, докато Халзен работи с космически частици, той разбира, че съветски изследователи планират да използват радиоприемници за улавяне на неутрино сигнали в Антарктида. Идеята е била, че когато неутрино се сблъска с атомно ядро ​​в леда, то предизвиква електрическа искра, която произвежда радиовълна. Ако тя е достатъчно силна, може да бъде уловена с помощта на радиоантена. Халзен е вдъхновен и осъзнава, че друг метод може да бъде инсталирането на сензори в ледника за намиране на светлинни импулси от сблъсъците.

Преди това, около 1960 г., няколко физици предполагат, че водата може да бъде добър материал за улавяне на неутрино от космоса. В редките случаи, когато неутрино се сблъсква с атомно ядро, се произвежда заредена частица, тя след това се движи в същата посока като оригиналното неутрино и излъчва синя светлина - лъчение на Черенков. Тъй като водата е прозрачна, тази светлина може да бъде открита. Ако се използва правилното оборудване, е възможно да се определи посоката на пътя на светлината и дори да се види откъде идва неутриното. Най-важният фактор е наличието на обем вода, който е достатъчно голям, за да се видят доказателствата за многобройни сблъсъци на неутрино.

Идеята на Халзен била да използва естествено срещащ се лед, вместо вода. Той се свързал с колегата си Джон Лиърн (John Learned), който по това е работил по проекта DUMAND. Това бил подобен проект, чиято цел била да улови светлинни сигнали от взаимодействащи неутрино в дълбоките и бистри океански води край Хавай. Заедно физиците обсъждат възможностите и предизвикателствата, свързани с улавянето на неутрино в Антарктида. Те представят за първи път концепцията си за неутринна обсерватория в леда на Южния полюс през 1988 г. на конференция в Полша.

Детектор на неутрино на Южния полюс

Франсис Халзен осъзнава, че разполагането на неутринната обсерватория на географския Южен полюс има много предимства: там вече е разположена изследователска станция с организация на редовен транспорт и всичко необходимо за работа на научен екип.

Ледът предлага и много предимства като материал. На достатъчно голяма дълбочина тъмнината е постоянна. За разлика от океана, няма смущения от живи същества и има нищожни нива на радиоактивни вещества. Ледът е стабилен и осигурява твърда повърхност за хората, работещи в съоръжението. Районът е геоложки стабилен, без земетресения.

Единственият недостатък е, че студът прави пътуването до и от Южния полюс невъзможно през по-голямата част от годината. Цялата практическа работа трябва да се проведе през краткото антарктическо лято, между ноември и февруари.

Илюстрация: Обсерватория в леда. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

В началото Халзен се е занимавал само с теоретичната работа, докато Леърнд бил зает само със собствения си проект и не се връщал към идеята им за улавяне на неутрино на Южния полюс. Историята можела да приключи дотук, но концепцията предизвикала толкова голям интерес, че в рамките на няколко години изследователи от различни институции се събрали около Халзен, за да реализират идеята му за неутринна обсерватория в Антарктида.

Като начало, те трябвало да решат всички практически проблеми, свързани с поставянето на инструменти дълбоко в леда. От глациолозите те научават, че дупки с дълбочина от километри могат да бъдат пробити с помощта на вид усъвършенствана душ глава, която използва гореща вода за топене на леда. След това в пълната с вода дупка става възможно да се спусне дълъг кабел с нишки от светлинни сензори. Халцен описва тези сензори като електрическа крушка наобратно - инструментът улавя светлина и след това я преобразува в електрически сигнал.

Мехурчетата в леда могат да причинят проблеми

Първо, изследователският екип тества потапяне на сензорите в леда на Гренландия, за да провери дали могат да регистрират светлина от частиците в леда. След това те започват изграждането на първата неутринна обсерватория на Южния полюс, предшественикът на IceCube: AMANDA.

Резултатът от работата на първият кабел с оптични модули е инсталиран в леда през 1993 г. е разочароващ - горната част на леда е пълна с мехурчета, които разпръсквата светлината в различни посоки и размиват информацията за движението на частиците.

Ледът обаче се оказва изключително чист и прозрачен под дълбочина от 1400 метра. Там светлинните проблясъци от неутриното можеха да изминат 300 метра, преди да бъдат абсорбирани, много по-далеч, отколкото някой е очаквал. Един страничен ефект от проекта за неутрино е, че изследователите са научили много за свойствата на леда на различни дълбочини.

Строителството на AMANDA продължава до януари 2000 г. Всичко се извършва по план, но не бе съвсем на нивото на задачата да открива високоенергийни неутрино от космическите ускорители на частици. Необходим бе по-голям обем, така че започва работата по IceCube - кубичен километър лед, оборудван със светлинни сензори. IceCube достига пълния си размер през 2011 г. с 5160 светлинни сензора, разделени между 86 кабела.

През годините Халзен продължава да действа като катализатор, първо за AMANDA, а по-късно и за IceCube. Като отдаден и ентусиазиран главен изследовател, той е осъществил тези проекти от етапа на идеята до завършени измервания и научни резултати.

IceCube най-накрая открива космически неутрино

Неутринна обсерватория като IceCube открива не просто частици неутрино, които изследователите търсят. Тези космически неутрино трябва да бъдат открити на фона на сигнали, причинени от космически лъчи, навлизащи в земната атмосфера. Някои от тези частици могат да проникнат до сензорите, разположени между 1450 и 2450 метра под повърхността. Над сто милиона такива частици от атмосферата над Антарктида се регистрират всеки ден. Космическите лъчи също създават неутрино в атмосферата и от тях няколкостотин на ден достигат IceCube, след като преминат през Земята от Северното полукълбо.

За да открият космическите неутрино, изследователите трябва да идентифицират избрани събития, при които неутрино са взаимодействали в леда. Дори когато не могат да бъдат напълно сигурни, че едно-единствено неутрино е възникнало извън Земята, те могат да разгледат всички избрани събития и да видят дали като цяло техните свойства отговарят на очакванията им от космическите неутрино и се различават от атмосферните неутрино. През 2013 г. изследователският екип съобщава за първите доказателства в подкрепа на това, че наистина са открили космически неутрино, а няколко години по-късно те събират толкова много данни, че могат да бъдат сигурни в откритието си.

Какво се надяват да научат изследователите от неутриното във Вселената?

Неутринната астрономия започва в малък мащаб през 60-те години на миналия век, когато Реймънд Дейвис-младши (Raymond Davis Jr) наблюдава неутрино от Слънцето. Това е потвърдено от изследователския екип в неутринната обсерватория Камиоканде в Япония, ръководен от Масатоши Кошиба (Masatoshi Koshiba), тъй като те успяват да определят пътя на неутриното и да проследят произхода им.

През 1987 г. Камиоканде улавя поток от неутрино, които биха могли да бъдат свързани с експлодираща звезда, свръхнова, в Големия Магеланов облак, който е нашата съседна галактика. Това откритие скоро е допълнено от измервания на неутрино, проведени едновременно в САЩ и СССР.

Реймънд Дейвис-младши и Масатоши Кошиба получават Нобелова награда за физика през 2002 г. за тези открития, които демонстрират, че астиците неутрино могат да се използват за изучаване на явления в космоса.

Но остава един проблем: броят на частиците неутрино, уловени от Реймънд Дейвис-младши, е само една трета от предсказания в изчисленията на реакциите, които би трябвало да се случат на Слънцето. Причината за това се оказва свързана с наличието на три вида неутрино. Физиците знаят, че неутриното могат да променят вида си, така че неутрино, създадено като един тип, може да достигне до инструмент на Земята като друг - и наблюдението на тези трансформирани неутрино изисква различна техника от използваната от Реймънд Дейвис-младши.

Илюстрация на превръщане на мюонно неутрино в електронно неутрино, а след това пак в мюонно. Може да се каже, че осцилациите на неутриното са макроскопична илюстрация на квантовите закони - нещо, което се среща при частиците само при температури, близки до абсолютната нула. Кредит: Physicsworld.com

Променливата природа на неутриното е разкрита чрез тестове в Япония и Канада, а Нобеловата награда за физика за 2015 г. бе присъдена на Такааки Каджита (Takaaki Kajita) и Артър Макдоналд (Arthur McDonald) за това откритие.

Пратеници от космоса. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

По този начин неутриното е помогнало на физиците да потвърдят своите модели на процесите вътре в Слънцето и какво се случва вътре в свръхнова. Идеята зад IceCube е да изведе неутринната астрономия на ново ниво, надявайки се, че неутриното ще предостави информация за явления, скрити зад облаци прах или обекти, които са толкова отдалечени, че са изчезнали по пътя другите форми на лъчения. Целта е да се получат знания, които не могат да бъдат получени по друг начин.

В сравнение с протоните, неутриното имат предимството, че не са електрически заредени. Пътят на заредените протони в пространството се изкривява от магнитните полета, през които преминават, което прави невъзможно да се определи произходът им чрез проследяване на посоката, в която са се движили. Процесите, които ускоряват протоните обаче ще произведат и неутрино, които не се влияят от магнитните полета, така че би трябвало да е възможно да се заключи къде се ускоряват космическите лъчеви протони, като се проследи обратно по траекторията на частиците високоенергийно неутрино.

Друг вид посланик от най-бурните процеси във Вселената е гама-лъчението. То също намалява, когато взаимодейства със светлината и материята по пътя си през космоса, докато неутриното, понеже слабо реагира, не се засяга толкова от средата.

Очакват се още резултати

Една важна цел е определянето на отделните източници на космическото неутрино. Няколко потенциални източника са открити от IceCube, един от които е активната галактика NGC 1068 (наричана още M77). От регистрираните в IceCube неутрино, 79 изглежда идват от посоката на тази галактика. Тези доказателства обаче не са достатъчно убедителни, за да се идентифицира окончателно NGC 1068 като източник на неутрино - колкото повече неутрино са уловени от сензорите, толкова по-голям е шансът да се открие техният произход.

През последните години изследователите, стоящи зад IceCube, успяват да наблюдават и високоенергийни неутрино, идващи от нашата собствена галактика, Млечния път. Те очакват тези неутрино да възникват, когато космическото лъчение се сблъсква с атоми във финия газ между звездите.

Със сигурност ще чуем много за неутринната астрономия през следващите години, тъй като други ще следват пътя, прокаран от IceCube. В Северното полукълбо има няколко други неутринни телескопа в различни етапи на разработка, но във вода, а не в лед. Проектът, който вдъхнови Франсис Халзен през 80-те години на миналия век, DUMAN, приключи през 1995 г., но идеята му живее чрез различни други проекти, като например в езерото Байкал, Средиземно море, в Южнокитайско море и край западното крайбрежие на Канада. В същото време IceCube продължава да улавя неутрино. Сега се планира следващото разширение на обсерваторията на Южния полюс, където IceCube-Gen2 ще бъде изумителните осем кубически километра лед.

Източник:  Popular information. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach 2026. Tue. 6 Oct 2026, The Royal Swedish Academy of Sciences

Още по темата

12:50 ч.  

Физика

Нобеловата награда за физика за 2026 г. е за откриването на високоенергийни неутрино с астрофизичен произход

08/11/2022

Космос

Обсерваторията IceCube откри високоенергийни неутрино, идващи от галактиката Месие 77

24/08/2015

Космос

Неутрино, дошло от дълбините на Вселената, е уловено в антарктическата обсерватория IceCube