Как поймать нейтрино из черной дыры: за что присудили Нобелевскую премию по физике

Нейтрино — частицы, придуманные в 1930 году Вольфгангом Паули, который сказал, что их никогда нельзя будет поймать. Ему надо было куда-то сбросить излишки импульса и энергии при решении некоторых ядерных задач.

Тем не менее буквально тогда же, в 1934 году, появилась работа Павла Черенкова с коллегами, которые обнаружили свечение некоторых быстрых заряженных частиц, движущихся сквозь прозрачную среду. И этот способ был впоследствии применен для того, чтобы таки обнаружить нейтрино. Сами их зарегистрировать нельзя, но они иногда, очень редко, взаимодействуют с атомами и при этом могут превращаться в заряженные частицы — в тяжелые электроны — которые называют мюонами, и сверхтяжелые, которые называют тау-лептонами.

Эти заряженные частицы, когда нейтрино пролетает мимо ядра и разрушает его, могут регистрироваться по своему «черенковскому излучению». За «черенковское излучение» была Нобелевская премия в 1958 году.

В 1956 году было зарегистрировано первое нейтрино. Еще через четыре года были обнаружены мюонные нейтрино — второй тип. Был такой казус: дали Нобелевскую премию сначала за второй тип, а потом только в 1995 году — за, собственно, обнаружение первого типа.

Наконец поставили задачу: а не найти ли нам нейтрино, идущие из космоса? Почему такая задача — потому что Солнце питается ядерными реакциями. А в ядерных реакциях рождаются нейтрино. А давайте попробуем их поймать? И их долго ловили и достаточно безуспешно.

Первые уверенные регистрации нейтрино на детекторах были в 1987 году, когда были найдены не солнечные нейтрино, а нейтрино от взорвавшейся сверхновой звезды в Большом Магеллановом Облаке, спутнике нашей Галактики.

И только потом уже, в девяностых, построили изображение Солнца. По планам оно должно было быть точечкой, потому что нейтрино прямо из ядра «шпарят» и ниоткуда больше не идут. Но получился кружочек размером в двадцать градусов. Потому что нейтрино, идущие от Солнца, выбрасывают заряженные частицы в воде, в которой их регистрируют, с большим угловым разбросом — около 10-20 градусов.

В результате получили изображение. Была Нобелевская премия за то, что при этом обнаружили осцилляции нейтрино — что нейтрино трех типов по дороге постоянно превращаются друг в друга и вообще представляют собой смесь трех типов.

Потом встал вопрос о том, а не пойти ли дальше? А нельзя ли найти более энергичные нейтрино, которые будут давать более точное изображение? От Солнца таких нет, зато есть от других источников.

И стали строить детекторы. Одним из проектов был проект AMANDA, который построили на Южном полюсе, во льду. Но он потерпел провал. Его построили на глубине около километра: бурили скважины, опускали детекторы, чтобы следить за этими вспышками света. Но оказалось, что там много воздушных пузырьков, они рассеивают весь свет, и нормальных наблюдений не получилось.

Наш сегодняшний лауреат Фрэнсис Халзен рискнул и предложил строить детектор в более глубоких слоях льда. И хотя был велик риск, что все это ничем не закончится, тем не менее построили.

86 скважин пробурено на Южном полюсе глубиной два с половиной километра. Сам детектор находится на глубине от полутора до двух с половиной километров, он расположен в этих скважинах. В каждой висит гирлянда из 60 датчиков — шарики довольно заметного размера, в которых стоят детекторы.

Скважины разнесены друг от друга на 125 метров по шестиугольнику, как пчелиные соты. Они ловят этот самый свет, идущий от улавливаемых нейтрино.Там работают два человека зимой — зимовщики — и 150 летом, когда можно что-то делать на льду.

Проблема в том, что там огромный уровень шума. Мюоны летят из космоса, рождаются в атмосфере и много где еще. Они используют земной шар как экран, чтобы мюоны не долетали до детектора. Потому что так они пролетают сквозь него из воздуха, например, когда там рождаются нейтрино, то есть взаимодействуют космические лучи.

Фильтрация шума — огромная задача, но тем не менее ученые смогли это все отфильтровать. В 2017 году они поймали нейтрино, идущие совершенно точно от конкретного источника — блазара. Это черная дыра, из которой выбрасываются релятивистские струи, и одна из них направлена прямо на нас. И вот мы теперь знаем, что оттуда летит.

Нашлись источники нейтрино в районе черной дыры в галактике M77, в созвездии Кита. Есть такая галактика, она даже в любительский телескоп видна. Там есть сверхмассивная черная дыра. И из той зоны, которую вообще никак не видно, даже гамма-излучение оттуда не доходит, доходят нейтрино. Оттуда найдено около 80 штук.

Пока никаких практических применений для нейтринной астрономии — и вообще для нейтринной физики — нет. Остается только фантастика в духе Океана Соляриса, который создавал своих существ из нейтрино.

Но тем не менее нейтрино — это другой тип астрономии. Мы смотрим на космос несколькими путями. Это свет: сначала видимый свет, потом — инфракрасный, ультрафиолетовый, рентгеновский, гамма. Но это все электромагнитное излучение.

Потом открыли нейтрино открыли сначала, а в последние годы — гравитационные волны, за них тоже дали Нобелевскую премию. Это совершенно другой природы материя, которую мы получаем из космоса и можем наблюдать то, что никакими другими способами до нас не доходит.