Российские учёные раскрыли технические тайны за Нобелевской премией по физике 2026 года: как IceCube с помощью фотоэлектронных умножителей улавливает следы нейтрино

Нобелевская премия по физике за 2026 год была присуждена за крупное научное открытие в области астрофизической регистрации высокоэнергетических нейтрино. Ключевой инженерной основой, обеспечившей этот исторический прорыв, является гигантский научный проект, расположенный вблизи Южного полюса——нейтринная обсерватория IceCube. Этот объект использует почти 1 кубический километр высокопрозрачного глубинного антарктического льда в качестве естественной регистрирующей среды и плотно размещает в толще льда в виде массива тысячи цифровых оптических модулей.

Старший научный сотрудник Института физики полупроводников Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН), кандидат физико-математических наук Генрих·Шейблер (Genrikh Scheibler) провёл углублённый профессиональный анализ принципов работы этой регистрирующей системы. Сами нейтрино практически не имеют заряда, а сечение их взаимодействия с веществом крайне мало, поэтому они почти не поддаются прямому приборному обнаружению. Однако когда нейтрино с ничтожной вероятностью сталкивается и взаимодействует с атомными ядрами в ледяной среде, это вызывает образование вторичных заряженных частиц, движущихся с высокой скоростью. Эти заряженные частицы движутся во льду быстрее фазовой скорости распространения света в данной среде, что вызывает характерное слабое черенковское излучение (Cherenkov Radiation).

Именно система IceCube на глубине ледяного щита от 1450 до 2450 метров под землёй вертикально разместила до 5160 цифровых оптических модулей (DOM), оснащённых фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Путём точных обратных расчётов разности времени прихода и распределения интенсивности световых импульсов, принятых различными пространственными узлами крупнообъёмного массива, исследователи могут обратно реконструировать траекторию движения и начальную энергию вторичных частиц, а затем точно вывести и определить пространственный источник и физические характеристики исходного падающего высокоэнергетического нейтрино.

Ключевым регистрирующим элементом каждого оптического модуля является фотоэлектронный умножитель, основная функция которого — преобразование мимолётного сверхслабого светового импульса уровня отдельных фотонов в макроскопический электрический сигнал, который может быть зарегистрирован высокочувствительной электронной схемой. Первой ступенью на пути падающего фотона является тонкоплёночный фотокатод (Photocathode), напылённый на внутреннюю поверхность стекла прибора; в IceCube используется двущелочной фотокатод (K₂CsSb), состоящий из соединений щелочных металлов и сурьмы. Когда черенковский фотон бомбардирует фотокатод, за счёт внешнего фотоэффекта энергия передаётся свободным электронам, возбуждая фотоэлектроны, которые вылетают и попадают в вакуумную полость электронного умножителя.

Для решения проблемы слишком слабого сигнала от одиночного электронного импульса электростатическое поле внутри трубки ускоряет вылетевшие фотоэлектроны ступенчато и направляет их на первый динод (Dynode); высокоскоростные электроны бомбардируют поверхность динода и возбуждают образование вторичных электронов, число которых в несколько раз превышает исходное. Этот каскадный умножающий эффект циклически усиливается между многоступенчатыми динодами, благодаря чему общий коэффициент электронного усиления (Gain) фотоэлектронного умножителя IceCube достигает поразительного порядка $10^7$. Усиленный лавинный электронный поток в конечном итоге собирается на аноде, формируя измеримый импульсный ток микросекундного диапазона. Благодаря большой площади светоприёма, низкой частоте темновых отсчётов и чрезвычайно высокой спектральной чувствительности в сине-фиолетовом диапазоне 400 нанометров (область пика черенковского излучения) фотоэлектронный умножитель стал незаменимым ключевым компонентом глубинного ледового детектирования.

Российские научные организации также обладают глубоким заделом в области аналогичных фотоэлектронных материалов. Помимо используемого в IceCube двущелочного катода K₂CsSb, команда профессора Института физики полупроводников Олега·Терещенко (Oleg Tereshchenko) совместно с промышленным предприятием “Ekran FEP” проводит систематические исследования многощелочного фотокатода Na₂KSb близкой структуры, широко применяемого в усилителях яркости изображения для слабого света и для изготовления источников спин-поляризованных электронов на высокоэнергетических коллайдерах, и планирует распространить соответствующую научно-техническую систему разработки на черенковские детектирующие катоды. В то же время российский глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD, самостоятельно разработанный и развёрнутый на Байкале, также опирается на массив оптических модулей с высокой плотностью фотоэлектронных умножителей для регистрации черенковского света, а его естественная регистрирующая среда заменена с антарктического глубинного льда на высокопрозрачную глубинную воду Байкала.