Новини

Всього : Фотографія :

Триває Нобелівський тиждень КНУ.

6 жовтня 2026 року Нобелівську премію з фізики 2026 року присудили Френсісу Гальзену «за вирішальний внесок у роботу обсерваторії IceCube та відкриття високоенергетичних нейтрино астрофізичного походження».

У Шведській королівській академії наук рішення пояснили його науковим лідерством, яке стало основою створення нейтринної обсерваторії IceCube – детектора обсягом близько кубічного кілометра, оснащеного світловими датчиками, за допомогою якого дослідники можуть фіксувати нейтрино.

Нейтрино – частинки надзвичайно високих енергій, які утворюються в тих самих умовах, що й інші. Однак відрізняються тим, що досягають планети не змінюючи напрямку руху без втрати енергії. Це означає, що вони можуть надати інформацію, яку неможливо отримати в інший спосіб.

Що про цьогорічну премію з фізики говорять експерти Фізичного факультету КНУ?

«Буває, що науковий календар раптом римується з життям. Так склалося, що минулого тижня ми з магістрами завершували чергову лекцію з нейтринної фізики, і вона була присвячена експерименту IceCube, – розповідає професор кафедри ядерної фізики та високих енергій Фізичного факультету КНУ імені Тараса Шевченка, доктор фiзико-математичних наук, співавтор відкриття одерона, Володимир Аушев. –  Ми говорили про лід Антарктиди, про спалахи світла в темряві на глибині двох кілометрів, про частинки, що летять до нас мільйони років. А сьогодні Нобелівський комітет оголосив, що премію з фізики 2026 року отримує Френсіс Гальзен (Francis Halzen) – людина, яка все це придумала і втілила. Приємно усвідомлювати, що те, про що ми розповідаємо студентам, Нобелівський комітет теж вважає головним».

Особливо це важливо для однієї з найдавніших загадок астрофізики. Десь у глибинах Всесвіту відбуваються процеси, в яких народжуються частинки з енергіями, недосяжними для жодної земної установки, навіть для Великого адронного колайдера. «Щоб відчути масштаб, уявіть звичайну горошину, – пропонує професор. – Якби кожна з її частинок отримала таку енергію, цього вистачило б, щоб забезпечувати енергією все людство протягом кількох тисячоліть. Що це за процеси, де вони відбуваються і як природа досягає такого, досі лишається загадкою. Самі ці частинки нам її не розкажуть: на шляху до Землі вони блукають у магнітних полях і «забувають», звідки прилетіли».

Саме цю загадку допомагає розв’язувати нейтринна астрономія. Провідний науковий співробітник Астрономічної обсерваторії КНУ, доктор фізико-математичних наук Богдан Гнатик пояснює: нейтрино несуть інформацію про природні космічні прискорювачі, можливості яких далеко перевершують земні установки. Дані IceCube використовують і в Астрономічній обсерваторії Університету, досліджуючи джерела та механізми прискорення космічних променів.

Далі – розповідь Володимира Аушева про «Крижаний куб», його космічних посланців і шлях випускників КНУ до колаборації IceCube, а також науковий коментар Богдана Гнатика про відкриття, які вже змінили астрофізику, та питання, що залишаються без відповіді.

Володимир Аушев

Професор кафедри ядерної фізики та високих енергій Фізичного факультету КНУ, доктор фізико-математичних наук, співавтор відкриття одерона:

«Саме тут на сцену виходять нейтрино високих енергій. Коли надпотужні частинки ще біля свого джерела стикаються з навколишньою речовиною чи випромінюванням, народжуються нейтрино. Вони летять до нас по прямій, як посланці, що пам'ятають адресу відправника, і несуть прямий слід того, що там відбувається. Гамма-промені чи світло тут не такі надійні свідки: вони можуть мати й інше, менш показове походження, і їх легко поглинає речовина. А нейтрино високих енергій – майже беззаперечне свідчення, що саме там народжуються найенергійніші частинки Всесвіту. Тому знайти джерело таких нейтрино означає зазирнути в серце цих загадкових процесів.

Щоб упіймати таких посланців, потрібен детектор неймовірних розмірів. Гальзен, за освітою теоретик, наважився запропонувати як детектор сам антарктичний лід – надзвичайно чистий і прозорий. Так народився експеримент IceCube, тобто «Крижаний куб»: цілий кубічний кілометр льоду під Південним полюсом, перетворений на гігантське око, що дивиться у Всесвіт. На глибині від півтора до двох з половиною кілометрів у лід вморожено понад п'ять тисяч світлочутливих модулів. Вони чатують на ледь помітні спалахи світла, які виникають, коли нейтрино зрідка все ж зіткнеться з речовиною.

Шлях від ідеї до результату тривав десятиліття. У 2013 році IceCube зареєстрував перші космічні нейтрино надвисоких енергій. Згодом вдалося вказати й на їхні джерела: далекий блазар, тобто галактику з надмасивною чорною дірою, джет якої спрямований прямо на нас, і активну галактику NGC 1068. Цікаво, що в NGC 1068 нейтрино є, а відповідного яскравого гамма-випромінювання майже немає. Отже, ці загадкові процеси вирують у щільних, непрозорих для світла околицях чорної діри, і побачити їх ми можемо тільки в «нейтринному світлі». Так відкрилася нова глава нейтринної астрономії. Колись нейтрино дозволили зазирнути в саме серце Сонця, де відбуваються термоядерні реакції, і побачити мить вибуху наднової зорі; за це у 2002 році теж було присуджено Нобелівську премію. Тепер, завдяки IceCube, ми можемо бачити й найбурхливіші процеси в далеких галактиках. А разом з цим народилася багатоканальна астрономія, коли одну космічну подію досліджують одночасно через світло, гравітаційні хвилі та нейтрино.

Премію вперше з 1992 року присуджено одному лауреатові. Проте сам Гальзен, я певен, сприйняв це як нагороду для всього «Крижаного куба». Колись, отримуючи іншу престижну відзнаку, він сказав, що премія насправді не йому, а експерименту, і пошкодував, що премії не дають експериментам. Його шлях вражає терпінням: десять років пішло на те, щоб виплекати ідею, п'ять – на пошуки фінансування, і ще десять – на будівництво. І все це зробив теоретик, який, за власними словами, ніколи не мав займатися подібними експериментами. Багатьом фізикам мого покоління він знайомий насамперед як співавтор класичного підручника «Quarks and Leptons», з якого ми колись вчилися. Свої доповіді про IceCube Гальцен любить починати однією фразою: «Нейтринна астрономія існує». Сьогодні це визнав і Нобелівський комітет.

Нобелівська премія Гальзену – водночас визнання праці тисяч учених та інженерів колаборації IceCube. І приємно усвідомлювати, що в цьому успіху є скромний внесок КНУ імені Шевченка. Серед учасників колаборації – наші випускники, чий шлях до IceCube почався ще на нашій кафедрі, під час виконання дипломних робіт з тематики IceCube, де я був співкерівником разом із колегами з провідних наукових центрів колаборації. Андрій Терлюк і Анастасія Омелюх продовжили свою участь в експерименті після одержання наших магістерських дипломів, навчаючись  в аспірантурі в Німечинні, уже як повноправні члени колаборації IceCube: Андрій розробляв методи відновлення енергії нейтрино, а Анастасія – проєктування детектора наступного покоління IceCube-Gen2. Марія Любарська так само стала членом колаборації в аспірантурі в Канаді, де вивчала, як нейтрино при зіткненні з ядром атома розподіляє свою енергію між продуктами реакції. Для викладача немає кращої нагороди, ніж бачити, як учорашні студенти працюють у колективі, відзначеному Нобелівською премією. І мені також приємно, що у 2025 році я також став співавтором публікації IceCube у журналі Physical Review D.

Нейтринна історія на цьому не закінчується, навпаки – нейтринна фізика сьогодні переживає справжнє піднесення. Наприкінці цього десятиліття мають запрацювати два флагманські проєкти: DUNE у США та Hyper-Kamiokande в Японії. Наша кафедра бере участь в обох. Від них чекають відповідей на питання, які ще недавно здавалися нерозв'язними: чому Всесвіт складається з речовини, а не з антиречовини,  як упорядковані маси самих нейтрино, і, можливо, вони вперше зафіксують розпад протона – подію, яку теорія передбачає, але яку ще ніхто не бачив.

А якщо в нашій Галактиці спалахне наднова, ці детектори впіймають потік її нейтрино й дозволять секунда за секундою простежити, що відбувається в самому серці зорі в мить її загибелі. Звідти не вирветься жодне світло, а нейтрино пролітають крізь товщу зоряної речовини без перешкод і доносять цю інформацію неспотвореною. Важливо, що нейтрино прилетять на кілька годин раніше за світло, тож стануть сигналом для телескопів: дивіться сюди, зараз почнеться. Мало де у фундаментальній фізиці перспективи відкриттів такі близькі й такі реальні. Тож, можливо, хтось із тих магістрів, що слухали минулу лекцію про IceCube, колись теж прочитає своє ім'я у списку авторів нобелівського відкриття.

А сам урок цієї премії простий: найсміливіші ідеї, навіть ті, що спершу здаються нездійсненними, здатні змінити наш погляд на Всесвіт, якщо мати терпіння їх реалізувати. Френсісу Гальцену для цього довелося чверть століття вдивлятися в антарктичний лід».

Богдан Гнатик

Провідний науковий співробітник Астрономічної обсерваторії КНУ, доктор фізико-математичних наук:

«Премія за нейтринну тематику була прогнозованою, бо саме в нейтринній астрономії останніми роками було отримано низку нових фундаментальних результатів астрофізики високих енергій.

Сучасна фізична картина світу включає Стандартну модель фізики частинок, яка описує склад і властивості матерії та фундаментальні взаємодії, крім гравітації, і космологічну модель Великого вибуху, яка описує ранні етапи та подальшу еволюцію Всесвіту.

Стандартна модель ґрунтується на експериментальних дослідженнях властивостей частинок матерії, зокрема під час їхніх зіткнень у земних прискорювачах. Найсучасніший із них – Великий адронний колайдер у CERN – розрахований на енергію протонних пучків до 7 ТеВ кожен, тобто до 14 ТеВ у системі центра мас зіткнення. Для порівняння: енергія спокою протона становить приблизно 1 ГеВ, або 10⁹ еВ.

Такі енергії дозволили у 2012 році відкрити бозон Гіґґса з масою близько 125 ГеВ, що стало експериментальним підтвердженням механізму, за теоретичне обґрунтування якого у 2013 році присудили Нобелівську премію. Однак пошуки нової фізики за межами Стандартної моделі, зокрема суперсиметричних частинок, тривають. Частина теоретичних моделей передбачає явища на енергетичних масштабах, недосяжних для сучасних земних прискорювачів.

Водночас у космосі спостерігаються частинки з енергіями, які значно перевищують можливості колайдерів. А дослідження раннього Всесвіту дозволяють перевіряти гіпотези про фізику ще вищих енергій – аж до масштабів великого об’єднання, порядку 10²⁸ еВ, та планківського масштабу, порядку 10²⁵ еВ. Тому астрофізика високих енергій стала важливою експериментальною базою для дослідження фундаментальних взаємодій.

При цьому астрофізичні дослідження не обмежуються традиційним детектуванням електромагнітного випромінювання – фотонів від радіо- до гамма-діапазону. Вони включають реєстрацію гравітаційних хвиль, космічних променів та космічних нейтрино. Почалася епоха багатоканальної астрономії.

За астрофізичні та космологічні дослідження вже було присуджено низку Нобелівських премій. У 2002 році Реймонд Девіс-молодший та Масатоші Кошіба отримали премію за внесок в астрофізику, зокрема за виявлення космічних нейтрино. У 2011 році Сол Перлмуттер, Браян Шмідт та Адам Рісс – за відкриття прискореного розширення Всесвіту через спостереження далеких наднових. У 2015 році Такаакі Каджіта та Артур Макдоналд – за відкриття нейтринних осциляцій, що довели наявність маси у нейтрино. У 2017 році Райнер Вайсс, Беррі Баріш та Кіп Торн – за вирішальний внесок у створення детектора LIGO та спостереження гравітаційних хвиль. У 2019 році Мішель Майор та Дідьє Кело – за відкриття екзопланети, що обертається навколо зорі сонячного типу. У 2020 році Райнхард Генцель та Андреа Ґез – за відкриття надмасивного компактного об’єкта в центрі нашої Галактики, відомого як Стрілець A*.

Такі експериментальні успіхи зумовлені передусім розвитком астрономічної інфраструктури. Сучасний телескоп чи детектор – унікальна за складністю та передовими технологіями установка, часто з використанням масиву окремих детекторів для збільшення ефективної площі. Наприклад, в Обсерваторії П’єра Оже (Pierre Auger Observatory), яка досліджує космічні промені, наземні детектори охоплюють площу близько трьох тисяч квадратних кілометрів.

Але навіть серед цих передових установок нейтринний детектор IceCube займає особливе місце. Насамперед географічне – Антарктида, Південний полюс Землі. Чому Антарктида? Бо її глибокий прозорий лід є надзвичайно сприятливим робочим середовищем для нейтринного детектування.

Високоенергетичні космічні посланці – фотони та космічні промені – взаємодіють з атомами атмосфери й породжують широкі атмосферні зливи: електромагнітні та ядерні каскади вторинних релятивістських частинок. Під час таких процесів утворюються й атмосферні нейтрино. Наземні детектори виділяють «корисний» сигнал, який дозволяє відновити напрямок руху, енергію та тип первинної частинки – протона, атомного ядра чи фотона.

Космічні нейтрино високих енергій значно слабше взаємодіють зі звичайною матерією і практично вільно проникають крізь земну атмосферу. Невелика частина з них взаємодіє з речовиною Землі, водою чи льодом, створюючи сигнал, доступний для реєстрації. Водночас зі зростанням енергії ймовірність взаємодії збільшується, і Земля стає менш прозорою для нейтрино, які проходять крізь її товщу.

Під час взаємодії нейтрино з атомним ядром можуть утворюватися адрони та заряджені лептони. Високоенергетичний мюон, який отримує частину початкової енергії нейтрино, генерує черенковське випромінювання. У прозорій воді чи льоді це світло може поширюватися на значні відстані.

Тому сучасні нейтринні телескопи розміщують свої датчики – оптичні модулі з фотопомножувачами – глибоко під водою або в антарктичному льоді. У Середземному морі розбудовується KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope), а IceCube використовує масив із тисяч датчиків на глибині 1,5–2,5 км. За характеристиками сигналів, зареєстрованих модулями поблизу траєкторії вторинних частинок, відтворюють параметри первинного космічного нейтрино.

Основні наукові результати IceCube позначили послідовні етапи розвитку нейтринної астрономії. У 2013 році було встановлено існування потоку космічних нейтрино високих енергій із джерелами поза межами Сонячної системи. Серед зареєстрованих подій були нейтрино ПеВ-ного діапазону: 1 ПеВ дорівнює 10¹⁵ еВ і приблизно в тисячу разів перевищує 1 ТеВ.

У 2017 році IceCube зареєстрував нейтрино, пов’язане з конкретним астрофізичним джерелом – далекою галактикою TXS 0506+056. Результати багатоканального дослідження цієї події оприлюднили у 2018 році. Джерелом виявився блазар – активне галактичне ядро з релятивістським джетом, спрямованим у бік Землі. Ще одним джерелом високоенергетичних нейтрино стала галактика NGC 1068, або М77: свідчення її нейтринного випромінювання представили у 2022 році. У 2023 році оголосили про виявлення високоенергетичного нейтринного випромінювання з площини нашої Галактики.

Наукові результати IceCube мають фундаментальне значення для розуміння астрофізичних процесів за енергій, які перевищують можливості земних прискорювачів, а також для перевірки можливих проявів нової фізики.

У цьому контексті важливо розрізняти реліктові, астрофізичні та космогенні нейтрино. Низькоенергетичні реліктові нейтрино – нейтринний аналог реліктового електромагнітного випромінювання – мали залишитися від ранніх етапів еволюції Всесвіту; їхнє пряме детектування досі залишається завданням майбутніх експериментів.

Високоенергетичні астрофізичні нейтрино утворюються, зокрема, під час непружних зіткнень ядерного компонента космічних променів із навколишньою речовиною або його взаємодії з випромінюванням. У цих процесах народжуються заряджені піони, подальший розпад яких приводить до появи нейтрино.

Космогенні нейтрино можуть утворюватися під час поширення космічних променів надвисоких енергій у міжгалактичному просторі та їхньої взаємодії з фоновими фотонами, зокрема реліктового випромінювання, також унаслідок розпадів продуктів взаємодії.

У типових процесах народження піонів окреме нейтрино може отримати близько 5 % початкової енергії протона космічних променів. Далі воно практично вільно поширюється на космологічні відстані, не відхиляючись у магнітних полях, оскільки не має електричного заряду. Тому нейтрино несуть важливу інформацію про високоенергетичні процеси, пов’язані з прискоренням космічних променів.

На Землі реєструють космічні промені з енергіями понад 10²⁰ еВ, але їхні джерела та механізми прискорення досі достеменно не відомі. Нейтринне вікно – одне з найперспективніших для встановлення цих джерел та фізичних умов у них. Пошук нейтрино з енергіями порядку 10¹⁸ еВ і вище має допомогти дослідити походження космічних променів екстремально високих енергій. Відкриття їхніх джерел чи породжених ними нейтрино могло б стати результатом нобелівського масштабу.

Отримані IceCube дані широко використовують у теоретичному моделюванні фізичних процесів, пов’язаних із прискоренням космічних променів та генерацією ними нейтринного випромінювання. Зокрема, такі дослідження вже тривалий час проводять в Астрономічній обсерваторії Університету, де вивчення механізмів прискорення та джерел космічних променів є одним із наших основних наукових напрямів.

Ці дослідження підтримуються грантами Національного фонду досліджень України, МОН, програми «Горизонт Європа» та іншими. Результати нашої роботи включають до спеціальних курсів на кафедрі астрономії та фізики космосу Фізичного факультету; за цією тематикою ведуть наукову роботу аспіранти кафедри».

Нобелівський тиждень у КНУ – це серія коментарів КНУ-експертів про цьогорічні премії з фізіології або медицини, фізики, хімії, літератури, миру та економіки.

Ілюстрації: Олена Лисак, Центр комунікацій КНУ; Нобелівський комітет

Центр комунікацій