Наука, стоящая за обсерваторией нейтрино, удостоенной Нобелевской премии по физике

На глубине 1,6 километра под поверхностью в штате Южная Дакота, США, готовятся гигантские пещеры, которые призваны помочь ответить на один из древнейших вопросов человечества — как возникла Вселенная. Доступ к этим пещерам осуществляется через лифт, который доставляет учёных в недра Земли.

Исследователи Проекта Dune продемонстрировали маршрут к подземной лаборатории, построенной для проведения одного из самых амбициозных научных экспериментов в мире. Эти установки расположены в городе Лид и будут оснащены детекторами частиц, способными раскрыть тайны происхождения и эволюции Вселенной. Среди используемых технологий — оборудование, разработанное Университетом штата Кампинас (Unicamp).

Этот репортаж является частью серии «Unicamp 60», которую производит EPTV в честь шестидесятилетия Университета штата Кампинас. В эфире EPTV 2 представлена серия из пяти эпизодов, демонстрирующих, как университет способствует развитию Бразилии через исследования и истории жизни.

Почему лаборатория расположена так глубоко под землей?

Учёные изучают подземные пещеры на глубине 1,6 км в Южной Дакоте, США, где будут установлены детекторы нейтрино Проекта Dune. Эти пещеры были вырыты для размещения детекторов, которые будут анализировать нейтрино — субатомные частицы, настолько трудно наблюдаемые, что их называют «призрачными частицами».

Нейтрино, образующиеся естественным путём в таких явлениях, как ядерные реакции Солнца, проходят сквозь планеты, породы и даже человеческое тело практически без взаимодействия с материей. Глубина лаборатории критически важна, поскольку она блокирует большую часть космической радиации, достигающей поверхности, тем самым снижая помехи при измерениях.

Эксперимент будет проходить следующим образом: ускоритель частиц в Fermilab, лаборатории недалеко от Чикаго, создаст пучок нейтрино. Затем эти частицы пройдут примерно 1300 километров через Землю до Южной Дакоты. Финальная стадия — гигантские детекторы, заполненные жидким аргоном, зарегистрируют редкие моменты взаимодействия нейтрино с материей.

Работы по рытью пещер были завершены в августе 2024 года, и сейчас основное внимание сосредоточено на установке оборудования для проведения эксперимента.

Какова роль Unicamp?

Бразильское участие имеет решающее значение для функционирования детекторов. Исследователи под руководством Unicamp разработали две технологии, которые будут использованы в подземной лаборатории.

Первая технология — система очистки жидкого аргона, предназначенная для удаления примесей, которые могли бы поставить под угрозу результаты. Каждый из четырёх запланированных детекторов будет содержать около 17 тысяч тонн этого вещества. Физик Паскоал Паглиузо, координатор исследований в университете, пояснил: «Исследователи из Бразилии, возглавляемые Unicamp, смогли разработать инновационную методологию очистки жидкого аргона для удаления кислорода и азота».

Вторая технология — это X-Arapuca, устройство, которое улавливает световые сигналы, возникающие при взаимодействии нейтрино с аргоном. Поскольку такие взаимодействия крайне редки, сбор максимально большого количества информации жизненно необходим для исследования. По словам физика Аны Амелии Бергамини Мачадо из Unicamp, сигналы, фиксируемые датчиками, позволяют измерять свойства частиц, например, их энергию.

Помимо Unicamp, в проект вовлечены специалисты из ряда других учреждений, включая Федеральный университет Сан-Карлос (UFSCar), Университет Сан-Паулу (USP) в Сан-Карлосе, Федеральный университет Сан-Жуан-дель-Рей (UFSJ), Федеральный университет Алфенас (Unifal), Федеральный университет ABC (UFABC), Аэронавтический технологический институт (ITA), Федеральный технологический университет Параны (UTFPR), Бразильский центр физических исследований (CBPF), Национальный центр исследований энергии и материалов (CNPEM), Центр информационных технологий Ренато Арчера (CTI) и Университет Ливерпуля в Великобритании.

Общий объем инвестиций в мегапроект составляет приблизительно 20 миллиардов бразильских реалов, при этом доля Бразилии оценивается в около 200 миллионов реалов, финансируемых Фондом поддержки исследований штата Сан-Паулу (Fapesp) и Финансирующим агентством исследований и проектов (Finep).

Что учёные надеются обнаружить?

Dune, что в английском языке означает «Глубокоподземный эксперимент с нейтрино», объединяет более 200 учреждений из не менее чем 35 стран и стремится понять свойства нейтрино, которые до сих пор ставят под сомнение основы физики.

Одним из главных вопросов является то, почему материя оказалась преобладающей над антиматерией после Большого взрыва, что позволило сформироваться звездам, планетам и, в конечном итоге, жизни. Паглиузо отметил: «Наиболее принятая модель сообщества о происхождении Вселенной — это Большой взрыв. Но как он произошел и как он развивался до того состояния, в котором Вселенная существует сегодня, остается очень большой загадкой».

Учёные также планируют изучать нейтрино, образовавшиеся в результате взрывов звёзд, что может предоставить сведения о формировании нейтронных звёзд и чёрных дыр. Исследователи прогнозируют, что детекторы смогут начать изучение нейтрино природного происхождения ещё до полной работы пучка, генерируемого Fermilab.

По мнению Паглиузо, проект ищет ответы, выходящие далеко за рамки физики элементарных частиц. Он добавил: «Когда мы задумываемся о Вселенной в игровой форме, мы хотим понять, кто мы, откуда пришли и куда идём».

NASA официально завершила миссию космического телескопа Swift, поскольку попытка спасения не увенчалась успехом. Этот обсерватория, посвятившая более двух десятилетий изучению Вселенной, находится в процессе потери высоты и должна войти в земную атмосферу в ближайшие недели.

Спасательная операция была проведена компанией Katalyst Space Technologies, базирующейся в Аризоне, США. Эта компания разработала космический аппарат под названием LINK с целью достичь телескопа и вывести его на более высокую орбиту, что позволило бы продолжить научные исследования.

Однако инициатива оказалась безуспешной. Примерно через три недели после запуска, 3 июля, аппарат LINK столкнулся с проблемами в своей двигательной установке и реактивных колесах, отвечающих за поддержание ориентации. Эти сбои вызвали непредсказуемое вращение аппарата, что сделало невозможным захват и подъем Swift.

Несмотря на трудности, LINK смог приблизиться к обсерватории и сделать ее фотографии. Расстояние между двумя аппаратами варьировалось от 12 до 15 километров, чего оказалось недостаточно для завершения запланированной операции.

Swift терял высоту из-за атмосферного трения и не имеет подходящих двигателей для нейтрализации этого эффекта. В сентябре 2025 года NASA заключила с Katalyst контракт на сумму 30 миллионов долларов США (что эквивалентно примерно 162 миллионов бразильских реалов) для попытки спасти обсерваторию.

Принятая стратегия предусматривала аппарат размером примерно с холодильник, оснащенный тремя роботизированными манипуляторами. Концепция заключалась в том, что LINK сможет достичь Swift, захватить его и вывести на более высокую орбиту. Эта миссия была новаторской, поскольку ни один частный аппарат ранее не смог захватить и поднять спутник, который не был спроектирован для такого рода обслуживания. Скорость также имела решающее значение, поскольку Swift продолжал терять высоту, пока готовилась операция.

Хотя попытка не смогла продлить срок службы телескопа, NASA сочла проект ценным для стимулирования развития технологий роботизированного обслуживания в космосе и для проверки способности проводить операции такого масштаба за короткий период времени.

Swift официально получил название Neil Gehrels Swift Observatory в 2018 году в память о своем первом главном исследователе, скончавшемся годом ранее. С окончанием миссии обсерватория вернется в земную атмосферу в ближайшие недели, но собранные данные останутся доступными для будущих научных исследований.

В честь Дня учителя, который отмечался в четверг, 15 октября, была подчеркнута важность педагогов в поощрении любознательности и знаний. Было отмечено, что образование не ограничивается школьной средой и может проходить в общественных местах, таких как площади, посредством астрономических наблюдений, приближая науку к общественности.

Программа «Космический взгляд», показанная в пятницу, 16 числа, осветила потенциал популяризации астрономии как средства научного включения и вдохновения, отдавая дань уважения учителям, которые расширяют обучение за пределы школьных стен. Особым гостем вечера стал профессор Родриго Фернандес.

Фернандес является разработчиком проекта «Астрономия – Наука на улице», инициативы, которая использует телескопы и практические занятия как в школах, так и на открытых для публики площадях. Этот проект направлен на демократизацию доступа к космическим наблюдениям, стимулируя критическое мышление и пробуждая научный интерес у новых поколений.

Обладая обширным опытом в популяризации науки, Фернандес координирует мероприятия в сотрудничестве с различными научно-исследовательскими учреждениями и государственными университетами. Он имеет докторскую степень по китайской медицине Университета Шанхая в Китае и проходил обучение в Фонде Освальдо Круза (Fiocruz).

Помимо своей текущей работы с «Астрономией-Наука на улице», которая также предлагает бесплатные курсы на YouTube, Фернандес был создателем и координатором таких групп, как Polaris и Tapirapé. В настоящее время он поддерживает партнерские отношения с Федеральным университетом Итажуба (UNIFEI), Национальной астрофизической лабораторией (LNA), Национальной обсерваторией (ON) и Национальным институтом космических исследований (INPE). Он также является специалистом по строительству и реставрации рефлекторных телескопов.

Программа, которую представляет Марсело Зурита, президент Параибенской ассоциации астрономии – APA, и член Бразильского астрономического общества (SAB), транслируется еженедельно в 21:00 (по бразильскому времени) на официальных каналах издания на таких платформах, как YouTube, Facebook, Instagram, X, LinkedIn и TikTok.