Тринадцатого марта на льду Байкала празднуют официальный запуск  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.

Днем рождения идеи подводного телескопа можно считать 1 октября 1980 года, когда состоялось заседание ученого совета Института ядерных исследований (ИЯИ) АН СССР, на котором было принято предложение академика Маркова о создании в институте лаборатории для разработки метода глубоководной регистрации элементарных частиц. Тогда же решили создавать на Байкале испытательный полигон для прототипов планируемых в мире глубоководных крупномасштабных нейтринных телескопов. 1980-е годы ушли на расчеты, а 1990-е — на монтаж первого глубоководного нейтринного телескопа в мире: НТ-200. По своей конструкции он уже был очень похож на нынешний телескоп — те же тросы, закрепленные на дне озера, на которых висят шары-фотоэлементы, глаза телескопа. 

Потом появились его усовершенствованные версии, а в 2015 году решили строить нынешний телескоп — большой международной коллаборацией во главе с двумя известными всем физикам-ядерщикам мира институтами — московским ИЯИ, и дубнинским Объединенным институтом ядерных исследований (ОИЯИ). 

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 не в том, что байкальская вода самая чистая, - в Адриатике, где стоит другой нейтринный телескоп, воде прозрачней. 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 ИЯИ РАН 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?

— Мы уже практически сравнялись, только пока не по объему, а по числу регистрируемых нейтрино. В прошлом году наш телескоп стал самым большим в Северном полушарии, а теперь он по производительности фактически сравняется IceCube, мощнейшим нейтринным телескопом на планете. Реальный объем вещества, который он видит, меньше, — 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, не во льду. 

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 слабое свечение, 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 — самых рдких и интересных, с энергией от 100 тераэлектронвольт, - в 100 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 кластеа, 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 Андырчи, 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 взрывы сверхновых рождают лишь низкоэнергетические?

— 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, а IceCube работает давно. 

— 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 ИЯИ РАН. Мы провели эксперимент в Баксанской нейтринной 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 — новый канал передачи данных, 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».