Нобелевская работа Халзена: как лёд Южного полюса ловит космические нейтрино

В офисах Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center при Университете Висконсина в Мадисоне утро после новости о премии прошло без паузы в работе. Хуан Карлос Диас Велес, сотрудник центра, застал коллег улыбающимися и поздравляющими друг друга: новый нобелевский лауреат — его руководитель. Сотрудники собрались в конференц-зале смотреть пресс-конференцию Фрэнсиса Халзена, который в тот момент был в Италии на другой конференции.

Праздновать решили дождаться его возвращения, а изучение нейтрино не останавливать: эта работа, по словам Диаса Велеса, не заканчивается. Сам эксперимент ищет неуловимую частицу детекторами внутри огромного ледяного массива. Нейтрино участвуют в реакциях внутри атомных ядер и рождаются земной радиоактивностью, калием-40 в арбузах и бананах, а также в человеческом теле.

Заметить их почти невозможно: они почти не взаимодействуют с веществом. Заряда у них нет, магнитные поля не сбивают их с прямой, и они постоянно проходят сквозь всю Землю, не задев ни одного атома. Солнечных нейтрино так много, что через ноготь большого пальца каждую секунду проходит миллиард.

Группу Халзена интересуют не эти привычные, хоть и незаметные частицы, а нейтрино очень высоких энергий из далёкого космоса. Их источниками могут быть остатки сверхновых и чёрные дыры: мощные магнитные поля таких объектов разгоняют протоны до огромных энергий. Когда разогнанные частицы сталкиваются с межзвёздной средой из газа и плазмы, возникают гамма-лучи и нейтрино.

Поэтому нейтрино оказываются удобными вестниками источников космических лучей высоких энергий. Самые энергичные из уже зарегистрированных приходят из активных ядер галактик, где находятся сверхмассивные чёрные дыры. Ловят их на географическом Южном полюсе, в нейтринной обсерватории IceCube — к известному рэперу она отношения не имеет.

В лёд на глубине вморожен массив из 5160 оптических датчиков, и он охватывает один кубический километр. На глубине 1,5 километра антарктический лёд очень прозрачен, и датчики видят свет мюонов, которые рождаются при редких столкновениях нейтрино с атомами льда. Диас Велес участвовал в строительстве установки в 2010 году, а наблюдения начались на следующий год.

Первым крупным результатом стала регистрация нейтрино от астрофизических источников за пределами Солнечной системы. Среди самых заметных — TXS 0506+056: источник нашли вместе с другими обсерваториями, которые собрали гамма-, оптические и радиосигналы. Это блазар высоких энергий, чрезвычайно яркая галактика, обращающаяся вокруг сверхмассивной чёрной дыры.

Поискав объекты со сходными свойствами, исследователи подтвердили, что весь этот класс способен рождать нейтрино высоких энергий. Позже Млечный Путь удалось увидеть и как протяжённый, рассеянный источник нейтрино. Помимо астрономии IceCube уточняет природу самих частиц.

Известны три типа нейтрино, а прошлогодние нобелевские лауреаты по физике показали, что по пути частица может переходить из одного типа в другой. Обсерватория даёт всё более точные измерения этого превращения. Отдельная линия — космические лучи, ими занимается сам Диас Велес.

Они приходят не равномерно со всех сторон, а из предпочтительных направлений, и по этой асимметрии судят о том, как источники распределены в Галактике. Лучи состоят из протонов и ядер более тяжёлых атомов и дают очень большую долю данных проекта. Нейтрино на этом фоне — иголка в стоге сена: на каждое зарегистрированное нейтрино приходится больше миллиона мюонов от космических лучей.

Диас Велес координирует в коллаборации обработку экспериментальных данных и производство моделирований. Каждые две миллисекунды нужно определять направление прихода, энергию и тип зарегистрированной частицы, а космические лучи и нейтрино моделировать со сравнимой частотой. Для обеих задач служат распределённые по миру сети высокопроизводительных вычислений: около 10 000 процессорных ядер и 1000 графических процессоров.

База проекта — Антарктида, штаб-квартира — Висконсин, но это международная коллаборация: 450 человек, 58 организаций, 14 стран. Среди участников много магистрантов и аспирантов. На премии стоит одно имя, а за ним — труд десятков коллег.

Диас Велес называет Халзена крупной фигурой и лидером и одновременно дружелюбным, щедрым человеком, которого в группе скорее считают коллегой, чем начальником. Без его увлечённости и настойчивости, говорит он, эксперимент не стал бы успешным.