В ноябре учёные прибыли на Южный полюс на самолётах с лыжами вместо колёс, чтобы осуществить строительный проект, который готовили семь лет.

У них было короткое летнее окно — с ноября по начало февраля — чтобы пробурить шесть новых отверстий глубиной не менее двух с половиной километров в антарктическом льду и установить длинные кабели, увенчанные сотнями шарообразных детекторов света. Эта плотная сеть датчиков — модернизация нейтринной обсерватории IceCube, огромной системы, построенной 15 лет назад и состоящей из более чем 5000 датчиков, встроенных в гигатонну льда.

Все эти устройства ищут мимолётные следы нейтрино — самых загадочных частиц из всех известных.

Частицы, погребённые в антарктическом льду, могут дать ответы на главные вопросы о Вселенной

Нейтрино часто называют «призрачными частицами», потому что в большинстве случаев они проходят сквозь нас незаметно. У них нет заряда, и они имеют очень малую массу. Они встречаются в огромных количествах — образуются в результате термоядерных реакций на Солнце, сыплются дождём, когда космические лучи взаимодействуют с атмосферой Земли, а также мчатся по космосу, родившись в мощных космических взрывах. Нейтрино на первый взгляд можно отнести к эзотерическим субатомным мелочам, но они связаны с некоторыми из самых фундаментальных вопросов происхождения всего. Они определяют, как взрываются сверхновые, играют роль в нашем понимании Большого взрыва и могут помочь ответить на основные вопросы о том, почему мы состоим из материи, а не из антиматерии.

Благодаря своей призрачной природе нейтрино проносятся на огромные расстояния, не взаимодействуя с другой материей, и могут служить чем-то вроде телескопа, позволяющего наблюдать катаклизмы, формирующие эволюцию галактик. До сих пор IceCube в основном сосредоточивался на попытках зафиксировать доказательства существования нейтрино с чрезвычайно высокой энергией. Модернизация расширила его возможности, позволив учёным задавать ещё более фундаментальные вопросы об этих частицах, в том числе о том, как они превращаются из одного вида нейтрино в другой, и давая возможность изучать самое неуловимое нейтрино из всех — тау-нейтрино.

В рамках модернизации IceCube было установлено девять оптических модулей с изменением длины волны (WOM). WOM — это новый фотосенсор, который обеспечивает повышенную чувствительность к ультрафиолетовым фотонам благодаря структуре, покрытой краской, изменяющей длину волны

Световой датчик, который обнаруживает черенковское излучение — синее свечение, возникающее при взаимодействии нейтрино с материей, — опускается в скважину

Недавно завершённая модернизация обеспечит детектору бóльшую чувствительность для исследования нейтрино с более низкой энергией, что позволит учёным больше узнать о том, что происходит, когда атмосферные нейтрино меняются с одного типа на другой. Это также поможет им лучше понять, как свет распространяется во льду, чтобы улучшить качество данных, собираемых обсерваторией.

«Я думаю, что это очень крутой и совершенно новый способ видеть вещи», — сказала Эрин О'Салливан, доцент кафедры физики Уппсальского университета в Швеции и представитель проекта. Если бы человеческие глаза видели нейтрино, а не видимый свет, «солнце светило бы всё время, и его лучи проникали бы сквозь пол и сквозь наши веки».

IceCube не может фиксировать эти загадочные частицы напрямую, но тысячи его датчиков способны обнаружить то, что происходит после их взаимодействия с материей. При взаимодействии нейтрино производят заряженные частицы, которые проходят через лёд со скоростью, близкой к скорости света, создавая синее свечение, называемое черенковским излучением.

Учёные протягивают кабель через антарктический лёд

В 2017 году IceCube обнаружил высокоэнергетическое нейтрино, испущенное блазаром — галактикой со сверхмассивной чёрной дырой в центре, расположенной в 4 миллиардах световых лет где-то за левым плечом созвездия Ориона. В 2022 году учёные сообщили, что активная галактика NGC 1068 в созвездии Кита извергала в нашу сторону высокоэнергетические нейтрино из питавшей её сверхмассивной чёрной дыры. Совсем недавно учёные сообщили, что нейтрино поступают изнутри нашей собственной галактики — Млечного Пути.

В бюджетном запросе администрации Трампа финансирование обсерватории Национальным научным фондом (NSF) было сокращено вдвое в рамках значительного урезания общего бюджета агентства. Конгресс отклонил бюджетную инициативу президента в отношении NSF, профинансировав агентство почти на том же уровне, что и в прошлом году.

Альбрехт Карле, главный исследователь проекта по модернизации, с 1990-х годов регулярно посещает Антарктиду. Он работает в Университете Висконсина в Мэдисоне, но за день до Дня благодарения он уехал из дома на Южный полюс. Он прибыл в обсерваторию в декабре, за неделю до начала бурения.

Вид на Млечный Путь в звёздном ночном небе над лабораторией IceCube

Большая часть ожиданий, связанных с IceCube, касается данных, которые он будет собирать в течение многих лет, но модернизация обсерватории, планировавшаяся семь лет, стала довольно напряжённым проектом для учёных, работающих на льду.

«Бурение никогда не бывает простой задачей. Этот бур — самый мощный в своём роде бур с горячей водой на Земле. Его нельзя оставлять без присмотра. Температура окружающей среды – минус 30 градусов по Цельсию, и если воду оставить более чем на 45 минут, она начнёт замерзать», — сказал Карле.

Команда работала над тем, чтобы быстро растопить отверстия во льду — относительно быстро. Чтобы пробурить отверстие глубиной полтора километра, требуется около 30 часов, и ещё 18 часов, чтобы вернуть бур на поверхность. Затем начинается гонка, потому что почти сразу же отверстие начинает сокращаться, поскольку вода снова замерзает.

«Если потратить слишком много времени, инструменты перестают помещаться в отверстие. Это всегда вызывает беспокойство, — сказал Карле. — Поэтому мы проводим тщательные расчёты, чтобы предсказать то, что мы называем сроком службы отверстия. Если нам требуется больше времени, чтобы разместить инструменты в отверстии, мы рискуем застрять. Это может быть очень нервной работой».

Шестое отверстие закончили бурить 20 января.

«В течение первых двух лет мы будем проводить гораздо более точные измерения, — сказала О'Салливан. — Есть надежда расширить детектор на порядок по объёму, поэтому важно, что мы не просто видим несколько точечных источников нейтрино, но и начинаем превращать IceCube в настоящий телескоп. Это реализация мечты».

Частицы, погребённые в антарктическом льду, могут дать ответы на главные вопросы о Вселенной