Нейтрино почти не взаимодействуют с веществом, поэтому постоянно проходят сквозь Землю и человеческое тело незаметно для нас. Эти частицы рождаются на Солнце и в далёких галактиках, а их энергия может достигать петаэлектронвольтов — квадриллионов электронвольт, недоступных для получения в земных ускорителях. Идею регистрировать нейтрино в больших объёмах воды предложил советский академик Моисей Марков, а первый такой сигнал зафиксировала группа российского физика Григория Домогацкого на Байкале в 1995 году.
Другой подход разработал бельгийско-американский физик Фрэнсис Хальзен. В 1987 году на Южном полюсе он запустил проект AMANDA, положив начало использованию антарктического льда для поиска нейтрино. Хотя эти частицы крайне редко сталкиваются с атомными ядрами, для регистрации подобных событий требуется огромная мишень. Ею стал прозрачный лёд на станции Амундсен-Скотт, где в 2004 году появился детектор IceCube.
IceCube представляет собой кубический километр льда с вмороженными измерительными устройствами. Детекторы размещены на глубине от 1450 до 2450 метров, а расстояние между 5160 оптическими модулями с фотоумножителями и компьютерами составляет 17 метров. Толща льда одновременно служит защитой от других частиц, отсекая их и позволяя сосредоточиться на нейтрино.
При столкновении нейтрино с ядром водорода или кислорода возникают заряженные частицы, в том числе мюоны. Они проходят через лёд быстрее скорости света в этой среде и создают вспышку синего черенковского излучения. Оптические модули фиксируют световой сигнал, по которому исследователи определяют энергию частицы и направление, откуда она пришла.
Основную часть зарегистрированных событий составляют атмосферные нейтрино, тогда как частицы астрофизического происхождения встречаются значительно реже. Важнейшим результатом IceCube стала обнаруженная в 2013 году регистрация высокоэнергичных нейтрино, пришедших из космоса. Позднее для поиска таких частиц начали создавать обсерватории в разных странах: среди них российский Байкальский нейтринный телескоп Baikal-GVD объёмом 0,8 кубического километра и европейский KM3NeT в Средиземном море площадью около 0,2 квадратного километра.
В Baikal-GVD и KM3NeT, как и в IceCube, оптические модули регистрируют вспышки, возникающие при взаимодействии нейтрино с другими частицами. Лёд лучше пропускает черенковское излучение на большие расстояния, а вода слабее рассеивает свет и помогает точнее определить направление движения нейтрино. Как сообщил член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Сергей Троицкий, независимое подтверждение события российским телескопом Baikal-GVD в 2025 году стало условием для возможности присуждения Фрэнсису Хальзену Нобелевской премии, хотя об открытии он объявил ещё в 2014 году. Исследователи ИЯИ РАН также установили, что нейтрино с энергией свыше 200 ТэВ родились не за пределами Галактики, а в Млечном Пути, что первоначально не удалось определить группе Хальзена, сообщает МК.