Тринадцатого марта на льду Байкала отпраздновали официальный ввод в эксплуатацию Байкальского глубинного нейтринного телескопа. На льду — потому что сам телескоп, исследующий устройство и прошлое Вселенной, — глубоко под водой. Крупнейший проект еще советской науки реализуется и приносит результаты уже сорок лет — и это только начало.
Нейтрино – очень легкая элементарная частица, не имеющая заряда и почти ни с чем не взаимодействующая. Нейтрино почти невозможно задержать или отклонить с прямого пути - благодаря этому нейтрино путешествуют по Вселенной, беспрепятственно проходя сквозь звезды, планеты и наши тела. Но как поймать столь неуловимую частицу?
К счастью для ученых, ничтожная доля нейтрино все-таки сталкивается с ядрами атомов и вызывает ядерные реакции. Детекторы нейтринных телескопов тщательно фиксируют эти редчайшие события, чтобы измерить количество нейтрино, направление, откуда они прилетели и энергию этих частиц.
Благодаря своей способности преодолевать гигантские расстояния не отклоняясь и не теряя энергии, нейтрино многое могут рассказать ученым о местах, где они родились, - а они рождаются в процессе термоядерного синтеза в недрах звезд и при распаде радиоактивных элементов в глубинах нашей планеты, в атмосфере Земли под действием космических лучей, при взрывах сверхновых и возле сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик. Для изучения этого последнего, самого энергичного и самого интересного типа нейтрино и предназначен Байкальский глубинный нейтринный телескоп.
О телескопе, который станет основой развития удивительной новой отрасли науки — нейтринной астрономии, мы поговорили с директором Института ядерных исследований РАН Максимом Либановым.
— Почему все-таки нейтринный телескоп строят на Байкале? Глубоко и вода чистая?
— Дело даже не в том, что байкальская вода самая чистая. В Адриатике, где стоит другой нейтринный телескоп, воде не хуже. На Байкале очень удобно по другой причине. Здесь два месяца в году ледяной покров толщиной в метр. Поэтому можно все оборудование установить с этого льда и опустить под воду. В Адриатике такого не сделаешь, там нужен корабль, причем ради глубины приходится отплывать от берега на тридцать километров, а здесь до берега всего четыре.
Поэтому сезон экспедиций у нас наступает зимой: лед замерзает здесь не в декабре, он достаточно укрепляется только в середине февраля, а тает только к апрелю. И каждый февраль от нас на Байкал выезжает экспедиция на полтора-два месяца
Подводные, подледные и подземные телескопы
— Байкальский нейтринный телескоп раньше был известен под другим названием — Baikal-GVD, Baikal Gigaton Volume Detector, то есть детектор мегатонного объема. Почему именно эту характеристику вынесли в название?
— Чтобы подчеркнуть масштаб проекта. От того, какой объем вещества просматривает телескоп, зависит, сколько нейтрино он сможет увидеть и насколько надежно определит направление, откуда они прилетели. До сих пор самым мощным нейтринным телескопом был американский IceCube подо льдами Южного полюса — над ним как раз кубический километр льда. И мы собирались сравняться с ними.
— Когда?
— Сейчас! Уже практически сравнялись - по числу регистрируемых нейтрино. В прошлом году наш телескоп стал самым большим в Северном полушарии, а теперь он по производительности фактически сравнялся с лучшим нейтринным телескопом на планете. Реальный объем вещества, который он видит, — четыре десятых кубического километра, но зато легче разглядеть излучение от столкновений нейтрино с ядрами атомов, из которых состоит вода, — как раз за счет того, что мы в воде.
Лед менее прозрачный, особенно, как оказалось, в Антарктиде. Чтобы построить IceCube, лед пробурили на глубину два с половиной километра — точнее, растапливали горячей водой. И оказалось, что в верхних слоях льда есть пузырьки воздуха, которые рассеивают свет. А в нижних из-за того, что давление льда уже большое, все это сжимается, и пузырьки превращаются в каверны, тоже мешающие свету. Поэтому у нас в Байкале свет проходит, скажем, на двадцать метров, а там — на четыре–пять метров. За счет этого наш телескоп гораздо более эффективный.
— А что это за излучение, которое пытаются разглядеть детекторы телескопа? Пишут, что оно голубоватое, но его же глазом не увидеть?
— Почему же, его можно увидеть, если погрузиться под воду. Это черенковское излучение, его впервые открыл в нашей стране в середине прошлого века Павел Черенков, ученик Сергея Вавилова, за что и получил в 1958 году Нобелевскую премию вместе с коллегами. Настолько я знаю (это скорее легенда, но может быть и правдой), Черенков садился в темную комнату и просто наблюдал вспышки, направив на воду гамма-лучи. Кстати, на больших глубинах в океане тоже не полная темнота — вода слабо светится черенковским излучением из-за распада радиоактивных изотопов.
— Как черенковское излучение возникает в истории с нейтрино?
— Через нас с вами прямо сейчас пролетают десятки миллиардов нейтрино — а мы ничего не замечаем. Потому что нейтрино практически ни с чем не взаимодействует. Но очень редко некоторые нейтрино врезаются в ядра атомов, и это столкновение порождает разные заряженные частицы — электроны, фотоны, мюоны.
— Насколько редко?
— Байкальский телескоп специализируется на высокоэнергетических нейтрино — с энергией от 60 тераэлектронвольт, в 60 тысяч масс протона. Частицы с меньшей энергией мешают наблюдать фоновые помехи. Так вот, каждый кластер телескопа регистрирует около одного такого события в год. Сейчас мы заканчиваем монтаж восьмого кластера, а всего собираемся развернуть 26 кластеров. Значит, в год будет 26 событий — это большое число для таких исследований.
— Вода и лед хороши своей прозрачностью. Но почему некоторые нейтринные телескопы размещены глубоко под землей?
— Такой телескоп есть и у нашего института — это Баксанская нейтринная обсерватория на Кавказе. Она размещена под горой, в горе специально для нее пробурили четырехкилометровый туннель — это, вообще-то, не частое явление для мировой науки.
Там немножко другие энергии, ниже помехи. Подобно тому как есть разные виды электромагнитного излучения — радиоволны, свет и так далее, есть и разные виды нейтрино, различающиеся энергией. Подземные лаборатории настроены на регистрацию низкоэнергетических нейтрино, приходящих к нам из недр Земли, из атмосферы, от Солнца, от взрывов сверхновых звезд. Энергия таких нейтрино меньше примерно в миллион раз, чем у тех, что ловит Байкальский телескоп. Чтобы их засечь, важно минимизировать помехи — поэтому и строят телескопы под землей.
Сверхновые по сравнению с этим — мелочь
— Откуда же прилетают высокоэнергетические нейтрино, если даже взрыв сверхновой не может породить нейтрино с такой высокой энергией?
— В результате действия квазаров, активных ядер галактик. В центре любой большой галактики есть сверхмассивная черная дыра, и пока она не съела все окружающее вещество, она активна. Кстати, в нашей галактике по какой-то непонятной причине черная дыра не очень большая — ну так, в миллионы масс Солнца, тогда как обычно — в миллиарды. И когда в активную черную дыру падают звезды, возникают излучения с такими энергиями. Сверхновые по сравнению с этим — мелочь.
— Получается, самые энергичные нейтрино рождаются в черных дырах?
— Это похоже на то, как появляются на свет атмосферные нейтрино. Скажем, летят космические лучи — протоны очень высокой энергии. Если такой протон в атмосфере сталкивается с ядром какого-нибудь атома, возникают целые ливни частиц — например, сначала образуются пионы, которые затем распадаются на нейтрино. И тот же самый принцип может работать в веществе, которое окружает эти черные дыры. Активные ядра галактик испускают джеты — струи плазмы, которые и запускают каскад распадов и возникновений частиц, в том числе нейтрино, в окружающем веществе.
На самом деле о происхождении высокоэнергетических нейтрино долго спорили и до сих пор спорят. Но совсем недавно ученые нашего института совместно с коллегами из ФИАНа доказали, что источником высокоэнергетических нейтрино являются именно квазары. Они изучали нейтрино, зарегистрированные IceCube, потому что у Байкальского телескопа еще не накопилось статистики, - у нас пока зарегистрировано всего шесть вероятных высокоэнергетических нейтрино. А IceCube работает давно, они поймали уже больше шестидесяти.
— Ученые ИЯФ анализируют данные с IceCube?
— Мы не конкурируем, а сотрудничаем. Байкальский телескоп и IceCube дополняют друг друга. Нейтрино, которые мы здесь ловим, приходят с юга, из-под земли, — так их намного легче идентифицировать. А американцы в Антарктиде, наоборот, ловят те, что пришли с севера. Только работая вместе, эти два мощнейших телескопа дадут полный обзор неба. Идет работа над объединением их в «глобальную нейтринную сеть» — она уже начала создаваться. К сети присоединилась и система средиземноморских подводных телескопов KM3NeT — она тоже лучше цепляет какие-то участки неба, да и всегда хорошо, когда есть несколько наблюдений. Статистика набирается, направление, откуда пришло нейтрино, гораздо лучше устанавливается.
Переворот в астрономии
— Почему все сейчас строят новые нейтринные телескопы, что это за бум?
— Потому что появилась целая новая отрасль астрономии — нейтринная астрономия, дающая знания о Вселенной, которые никаким другим путем не получить. Вообще говоря, в астрономии сейчас происходит важнейший сдвиг, появилась и бурно развивается многоканальная астрономия. Ее идея в том, чтобы наблюдать события с разных сторон, сопоставляя данные оптических телескопов, радиотелескопов, с детекторов гравитационных волн и космических лучей. Кстати, один из таких детекторов у нас прямо под боком — на Байкале, в Тункинской долине, есть телескоп TAIGA. Телескоп для космических лучей — это просто много датчиков на поверхности Земли. Как мы уже говорили, когда протоны космических лучей попадают в атмосферу, образуются ливни частиц — датчики телескопа ловят получившиеся частицы и регистрируют их. В таких космических лучах, например, есть очень интересные частицы, обладающие энергией примерно в один джоуль. Знаете, что такое один джоуль? Если один тераэлектронвольт — это энергия падения капли воды с трех сантиметров, то один джоуль — это когда килограмм падает с метра на ногу. Представляете, какие частицы прилетают из космоса? Хорошо, что они разваливаются в атмосфере.
— Но разве нейтринный телескоп может помочь телескопу космических лучей в изучении таких частиц?
— С этими космическими лучами есть проблема. То есть там много проблем, но вот одна из них: заряженные частицы сильно отклоняются магнитными полями. Межгалактические магнитные поля очень слабые, но расстояние большое, и частицы постепенно отклоняются, поэтому невозможно надежно определить направление, откуда они пришли. А нейтрино нейтрально, заряда нет, эта частица проникает во всё, и направление ее полета показывает точно, откуда она прилетела.
— Какими еще достижениями прославилась многоканальная астрономия?
— Это направление очень молодое, ему от силы лет двадцать, но примеров много, среди них и та самая наша работа, показывающая, что источник высокоэнергетических нейтрино — это активные ядра галактик. Мы ведь знаем о квазарах благодаря радиоастрономии, и это открытие сделали, сопоставляя данные нейтринного телескопа с данными радиотелескопов.
Всё на свете — вибрации
— Если нейтрино — нейтральная частица, почему она летит со скоростью света, словно электромагнитная волна?
— Нейтрино, как и фотон, — это и частица, и волна. Ведь с современной точки зрения вся наша материя — это частицы-волны. И протоны — частицы-волны, просто с меньшей длиной волны. И мы с вами частицы-волны. Мы, как волны, могли бы ходить сквозь стены, если бы их толщина была сопоставима с этой длиной волны — десять в минус сороковой степени.
— Несколько лет назад мир обошли сенсационные новости о том, что нейтрино способны двигаться быстрее скорости света. К счастью, это в итоге вроде бы опровергли?
— Опровергли, но скорее к несчастью — было бы интереснее! На самом деле такие вопросы нередко обсуждаются. Но в основном по поводу фотонов или гравитационных волн, то есть переносчиков электромагнитного и гравитационного взаимодействий. А про нейтрино никто никогда не думал, что такое может быть. Когда это сообщение появилось, серьезные физики в это просто не поверили — сразу решили, что была допущена ошибка в эксперименте. Так в итоге и оказалось.
— А нейтрино можно притормозить?
— Сложновато. Хотя, в принципе, есть реликтовые нейтрино, которые образовались во время Большого взрыва, так же как реликтовые фотоны фонового микроволнового излучения. Их температура немногим больше двух градусов Кельвина.
— Это когда Вселенная стала такой достаточно прозрачной, чтобы из нее вырвался свет?
— Да, только для нейтрино она стала прозрачной раньше, поэтому температура реликтовых нейтрино еще меньше, чем у реликтовых фотонов: чуть больше двух градусов Кельвина. Реликтовые нейтрино, кстати, никто еще не зарегистрировал так вот явно, но они должны быть. И поскольку температура такая маленькая, они почти заторможенные. Но энергия любых других нейтрино всегда больше по крайней мере в тысячу раз. И затормозить такое очень сложно.
За пределами Стандартной модели
— Не так давно обнаружили, что нейтрино имеют массу. Почему это столь важно, что за это открытие дали Нобелевскую премию?
— Это очень интересная история! Началось все с того, что измеряли поток нейтрино от Солнца. Дело в том, что мы хорошо изучили Солнце, знаем, сколько энергии оно излучает, сколько фотонов до нас долетает, условно говоря. Знаем температуру, знаем про термоядерные реакции и другие процессы, идущие внутри Солнца. Нейтрино там образуются во время термоядерных реакций, и мы можем посчитать, сколько должно получиться нейтрино и сколько должно быть энергии.
Но когда эти солнечные нейтрино начали ловить, увидели, что их меньше, причем весьма значительно меньше, чем надо, — раза в два, условно говоря. Была надежда, что мы просто не все уровни энергии смотрим, — нейтрино ведь различаются по своей энергии, и когда мы их ловим, то настраиваем детекторы на какой-то определенный уровень. Точку в этом вопросе поставил опять же наш институт. Мы провели эксперимент в Баксанской обсерватории. Там есть галлий-германиевый телескоп, который промерил почти все энергии, добрался до самых маленьких и обнаружил: да, ошибки нет, нейтрино действительно где-то в два раза меньше, чем надо.
Выходов здесь два. Первый: мы чего-то не знаем о Солнце. Но чего именно, остается только фантазировать, а ведь там все хорошо изучено. А второй вариант был предложен Бруно Понтекорво — это итальянец, но наш физик, он работал в Советском Союзе. Он еще тогда предложил, что на самом деле нейтрино может иметь массу. Есть три «сорта» нейтрино — электронное, мюонное и тау-нейтрино. Если они имеют массу и все эти массы разные, то в процессе своего полета эти три типа могут переходить друг в друга. А ведь на Земле мы ловили только электронные нейтрино! И когда после нашего баксанского эксперимента канадцы провели эксперимент, который ловит все три типа нейтрино, все сошлось. Оказалось, нейтрино столько, сколько и должно было быть, просто половина из них превратилось в нейтрино других типов. И практически одновременно ту же самую способность нейтрино к превращениям увидели японцы, только не в солнечных, а в атмосферных нейтрино. Это было в самом конце 1990-х, а в 2015 году эти две группы получили Нобелевку.
— Но что нам дает знание того, что у нейтрино есть масса?
— На самом деле это еще тоже не сто процентов, что у нейтрино есть масса, по большому счету это до сих пор загадка, и неизвестно, чему эта масса равна. Сейчас многие научные группы над этим работают. Думаю, как только эту массу найдут, еще одна Нобелевская премия гарантирована.
— Но почему?
— Потому что Стандартная модель — главная теория, описывающая все физические частицы, считается завершенной, в ней поставлена точка. Бозон Хиггса — скучное открытие в этом смысле.
— Скорее закрытие, как Стивен Хокинг жаловался…
— Да, все физики на это жаловались. Бозон подтвердил теорию, самый скучный сценарий реализовался. Так вот, в Стандартной модели масса нейтрино равна нулю. А теперь получается, что нужно вводить в Стандартную модель новые частицы, которые смогут дать нашим нейтрино массу. То есть мы получили свидетельство того, что Стандартная модель просто неполная, есть что-то еще! А значит, нам есть что изучать и куда продвигаться в понимании физики.
— Получается, мечта всех физиков-ядерщиков о выходе за пределы Стандартной модели уже частично сбылась?
— На самом деле да, в этом смысле да, это такой очевидный выход за рамки Стандартной модели. Есть и другие — например, темная материя. Но с массой нейтрино — самый явный.
— А что значит этот выход — расширение таблички с частицами?
— Это могут быть не только новые частицы, но и новые фундаментальные взаимодействия помимо четырех уже известных — электромагнитного, гравитационного, сильного и слабого. Пока такие вещи прорабатываются только в теории — например, в теории струн. Но она ничего не предсказывает. А нам нужны эксперименты, без них трудно выбрать направление поисков. Все-таки физика — наука экспериментальная в первую очередь.
Нейтринные технологии
— Каких еще открытий ждать от нейтринной астрономии?
— Кажется, в 1933 году великий Резерфорд, создавший ядерную физику, сказал: «Те, кто утверждает, что можно использовать ядерную энергию, проповедуют вздор». Всего за двенадцать лет до взрыва атомной бомбы! И таких примеров полно, поэтому я даже не хочу прогнозировать. Сегодня мы даже представить себе не можем, что может быть завтра!
— О нейтринных технологиях тем более рано говорить?
— Тут как раз есть о чем, нейтрино имеют несколько перспективных практических применений. Первое — контроль ядерных реакторов. Можно рядом с реактором поставить детектор нейтрино и по спектру нейтрино определить, что внутри осталось и что делается внутри реактора, какие ядерные реакции еще идут, какие не идут. Или, например, можно поставить у ожидаемых нарушителей нераспространения ядерных технологий (ну, скажем, Северной Кореи) у берега в двухстах километрах корабли-детекторы и смотреть, нарабатывают они там плутоний или не нарабатывают.
— Такого еще нет?
— Пока еще нет, но на самом деле это все очень реально. Второе применение — использовать поток нейтрино как своего рода рентгенографию Земли. Как рентген устроен? Просвечивают тело рентгеновскими лучами, они проникают через нас, где поплотнее — рассеиваются, и получается снимок. То же с нейтрино, получится такая нейтринография Земли.
— Потрясающе — заглянуть внутрь Земли! Мы же не можем даже скорлупу проковырять, тоненькую кору.
— Не можем, да. Мы что-то знаем о внутренностях планеты за счет акустических волн, а здесь тоже может получиться многоканальное исследование. Если соединить акустику с нейтрино, можно было бы много интересного узнать. Ну и, наконец, третье применение — дальняя связь, в том числе военная.
— Нейтринная связь? А какие у нее преимущества?
— Главное — проникает далеко. Вот, скажем, с подводными лодками очень ведь сложно осуществлять связь, радиоволны не проникают под воду, подлодкам для связи обычно всплывать приходится. А в будущем, если мы полетим к другим звездам, радиоволны тоже плохо подойдут, слишком много помех. Кстати, американцы в лаборатории «Фермилаб» уже осуществили передачу сигнала с помощью нейтрино — еще десять лет назад они передали слово «нейтрино».
