В ноябре группа исследователей прибыла на Южный полюс на самолетах, оснащенных лыжным шасси. Их целью стала реализация амбициозного строительного проекта, подготовка к которому велась на протяжении семи лет.
Ученым выделили предельно сжатые сроки — короткое полярное лето с ноября по начало февраля. За это время предстояло пробурить в антарктическом ледяном щите шесть новых скважин глубиной не менее двух с половиной километров каждая и разместить в них протяженные кабели с сотнями сферических оптических модулей. Эта высокотехнологичная сеть датчиков представляет собой глубокую модернизацию нейтринной обсерватории IceCube — исполинского комплекса, созданного 15 лет назад и состоящего из более чем 5000 сенсоров, вмороженных в гигатонну первозданного льда.
Весь этот массив оборудования предназначен для поиска едва уловимых следов нейтрино — пожалуй, самых загадочных и труднодоступных для изучения элементарных частиц во Вселенной.
Нейтрино часто называют «частицами-призраками», поскольку они способны беспрепятственно пронзать материю, оставаясь незамеченными. Обладая ничтожной массой и отсутствием электрического заряда, они пронизывают пространство в колоссальных количествах: рождаются в термоядерном горниле Солнца, возникают при столкновении космических лучей с земной атмосферой и устремляются к нам из эпицентров мощнейших межгалактических взрывов. Несмотря на кажущуюся эфемерность, нейтрино тесно связаны с фундаментальными вопросами мироздания. Они определяют динамику взрывов сверхновых, играют ключевую роль в космологических моделях Большого взрыва и могут помочь понять, почему Вселенная состоит из материи, а не из антивещества.
Благодаря своей способности преодолевать исполинские расстояния, не взаимодействуя с веществом, нейтрино служат своего рода «космическим телескопом», позволяющим наблюдать за катаклизмами, которые формируют облик галактик. До недавнего времени IceCube фокусировался преимущественно на регистрации нейтрино сверхвысоких энергий. Нынешняя модернизация расширяет горизонты исследований, позволяя изучать процессы трансформации нейтрино из одного типа в другой и охотиться за самой неуловимой их разновидностью — тау-нейтрино.
Обновленная система обеспечит детектору исключительную чувствительность к нейтрино более низких энергий. Это даст ученым возможность детально изучить осцилляции атмосферных нейтрино и глубже понять физику распространения света в толще льда, что критически важно для повышения точности собираемых данных.
«Это совершенно потрясающий и инновационный способ познания мира», — делится впечатлениями Эрин О’Салливан, доцент кафедры физики Уппсальского университета и официальный представитель проекта. По ее словам, если бы человеческий глаз мог видеть нейтрино вместо обычного света, «солнце сияло бы непрерывно, а его лучи беспрепятственно проникали бы сквозь землю и даже сквозь наши веки».
IceCube не способен зафиксировать «призрачные частицы» напрямую, однако тысячи его сенсоров улавливают последствия их взаимодействия с материей. При столкновении нейтрино с атомами льда рождаются вторичные заряженные частицы, которые мчатся сквозь ледяной массив со скоростью, близкой к световой, порождая специфическое сияние — излучение Черенкова.
В 2017 году IceCube перехватил нейтрино высокой энергии, испущенное блазаром — активной галактикой с супермассивной черной дырой, расположенной в 4 миллиардах световых лет от нас. В 2022 году было объявлено, что галактика NGC 1068 в созвездии Кита также является мощным источником этих частиц. Совсем недавно исследователи подтвердили, что потоки нейтрино исходят и из недр нашей собственной галактики — Млечного Пути.
Несмотря на научные успехи, проект сталкивался с политическими сложностями. В свое время администрация Трампа предлагала вдвое сократить финансирование обсерватории по линии Национального научного фонда (NSF). Однако Конгресс отклонил эту инициативу, сохранив поддержку агентства на прежнем уровне.
Альбрехт Карле, ведущий исследователь проекта, работает в Антарктиде с 1990-х годов. Представляя Университет Висконсина в Мэдисоне, он отправился на Южный полюс незадолго до Дня благодарения и прибыл на станцию в декабре, чтобы лично контролировать начало буровых работ.
Хотя главные научные открытия IceCube еще впереди, сам процесс модернизации стал для команды серьезным испытанием на прочность.
«Бурение в таких условиях — задача запредельной сложности. Наш бур на горячей воде — самый мощный в своем роде, и его работа не терпит перерывов. При температуре минус 30 градусов достаточно оставить воду в шлангах на 45 минут, чтобы она начала замерзать», — поясняет Карле.
Команде приходилось работать в бешеном темпе. На создание скважины глубиной в полтора километра уходит около 30 часов, еще 18 часов требуется для извлечения оборудования. С этого момента начинается гонка со временем: отверстие почти сразу начинает сужаться из-за повторного замерзания воды.
«Если промедлить, приборы просто не пройдут в скважину. Это всегда повод для серьезного беспокойства, — говорит Карле. — Мы проводим точнейшие расчеты, чтобы оценить «время жизни» каждой шахты. Риск того, что дорогостоящее оборудование застрянет навечно, делает работу крайне напряженной».
Последняя, шестая скважина была успешно завершена 20 января.
«В ближайшие два года мы рассчитываем получить беспрецедентно точные данные, — заключает О’Салливан. — Наша цель — на порядок увеличить рабочий объем детектора, превратив IceCube из экспериментальной установки в полноценный телескоп. Это мечта, ставшая реальностью».
