Как создавалась Баксанская нейтринная обсерватория и какую роль в этом сыграл академик М.В. Келдыш, какие «ароматы» имеют нейтрино и почему важно их изучать, могут ли стерильные нейтрино составлять вещество тёмной энергии и как это выяснить, рассказывает Владимир Николаевич Гаврин, заведующий лабораторией радиохимических методов детектирования нейтрино, заведующий лабораторией галлий-германиевого нейтринного телескопа Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований, член-корреспондент Российской академии наук.

– Владимир Николаевич, давайте вспомним, с чего начинался Баксанский нейтринный телескоп. Как я понимаю, вы стояли у самых истоков этого грандиозного эксперимента?

Да, это действительно так. Вся эта эпопея начиналась с письма президента Академии наук СССР Мстислава Всеволодовича Келдыша в ЦК КПСС. Он написал в 1963 году о том, что в последние годы развитие физики элементарных частиц привело к возникновению новых перспективных направлений в современной науке – физике нейтрино. В те годы было острое соревнование нашей страны с Западом и, прежде всего, Соединенными Штатами в развитии ряда научных направлений. И Мстислав Всеволодович обратил внимание на то, что в Соединенных Штатах широко начало развиваться это новое направление, связанное с исследованием физики нейтрино. А для таких исследований требуется создание глубоких подземных лабораторий. 

– Почему? 

– Потому что нейтрино, тогда это было уже ясно, очень слабовзаимодействующая частица, и любые помехи не дают возможности их исследовать. Для того чтобы можно было защититься от фоновых событий, надо прятаться глубоко под землю. Но и этого недостаточно. Надо, чтоб окружающая вас порода была также защищена чистым материалом по отношению к радиоактивности. Вот такие задачи были поставлены.

– Насколько я знаю, такие задачи решались не только в нашей стране.

– Надо сказать, что Запад и Соединенные Штаты искали глубокие шахты и устраивали там свои лаборатории. У нас в то время таких шахт, глубина которых позволяла бы достаточно надежно спрятаться от идущих из космоса элементарных частиц, практически не было. Поэтому было принято решение о строительстве подземных лабораторий. Тут есть две возможности – вы можете рыть шахту вниз или взять гору и рыть горизонтальный туннель под вершину горы. Цена отличается приблизительно в шесть раз. Горизонтальная проходка дешевле, чем вертикальная. 

Было принято решение искать гору для того, чтобы в ней делать лабораторию. Для этого надо было создать проект развития этого направления, и тогда в Физическом институте Академии наук имени Лебедева была создана лаборатория нейтрино, которую возглавили Георгий Тимофеевич Зацепин и его ближайший соратник Александр Евгеньевич Чудаков. Было разделено два направления. 

Во-первых, это исследование физики космических лучей на разных глубинах и, соответственно, исследование процессов, протекающих в Солнце. Тогда это была очень острая задача, потому что теоретические работы по структуре звезд были развиты, но было очень мало экспериментальных данных, которые бы подтверждали правильность нашего понимания работы звезд и ближайшей нашей звезды – Солнца. 

Для этих исследований требовались разные глубины. Для исследования космических лучей глубины требовались относительно небольшие. А для солнечных исследований, где требовалась регистрация непосредственно нейтрино, глубина должна быть достаточно большой. Поэтому была организована экспедиция молодых научных сотрудников, это были 63-й – 65-й годы, куда Зацепин и Чудаков набирали выпускников физфака МГУ, физтеха, МИФИ – молодых ребят, которые рвались в эту задачу. 

– И вы попали в эту группу? 

– Да, это было замечательное время. Сейчас из того набора нас осталось только двое – Григорий Владимирович Домогацкий, который возглавляет Байкальскую нейтринную обсерваторию, и я. 

– О Байкальском нейтринном телескопе последнее время очень много пишут, это стало передним краем науки. А вот о Баксанском эксперименте пишут, на мой взгляд, недостаточно. Тем не менее это уникальный, по-своему интересный эксперимент. Какие основные достижения были сделаны за это время? 

– Баксанская нейтринная обсерватория Института ядерных исследований РАН расположена на Северном Кавказе в верховьях реки Баксан на высоте 1700 метров над уровнем моря. Подземные объекты обсерватории расположены в толще горного массива горы Андырчи (высота 3937 м), которая является частью бокового ответвления Большого Кавказского хребта. Для проведения галлиевого нейтринного эксперимента было предусмотрено сооружение подземной низкофоновой лаборатории глубокого заложения – Лаборатории галлий-германиевого нейтринного телескопа (ГГНТ).

В 1967 году начались проходка и строительство туннеля. Надо сказать, это были сложные работы. Одновременно создавался небольшой поселок, строили жилье. Было уделено много внимания именно структуре создаваемого объекта. Появились школы, детские сады, больница. Но главная задача научная – регистрация и исследование нейтринного излучения Солнца. 

В чем состоит задача? Источником энергии звезд типа Солнца является термоядерная реакция. Солнце и звезды, ему подобные, состоят приблизительно на 80% из водорода и на 20% из гелия с небольшим процентом примеси других тяжелых элементов. В центре Солнца идут термоядерные реакции, выделяется чудовищно большое количество энергии, и рождается нейтрино. 

Есть прямая связь количества рождаемых нейтрино с количеством энергии, выделяемой Солнцем. Поэтому, чтобы подтвердить наше понимание того, что происходит с Солнцем, требовалось регистрировать поток нейтрино. 

Надо сказать, что идеи, как это регистрировать, возникли еще раньше. Первая такая идея была предложена Бруно Понтекорво. Вокруг этой идеи были построены все исследования. Но постепенно родились новые идеи, а главная идея – использовать для регистрации солнечных нейтрино галлиевую мишень. 

Эта идея принадлежит нашему сотруднику Вадиму Кузьмину, чл.-корр. РАН, главному научному сотруднику отдела теоретической физики ИЯИ РАН. В 1965 г., будучи аспирантом Г.Т. Зацепина, он предложил галлиевый метод для детектирования солнечных нейтрино и искусственный 51Cr источник нейтрино для его калибровки. И мы это реализовали. 

– Именно так зародился галлий-германиевый эксперимент? 

Да. Нам удалось создать галлий-германиевый нейтринный телескоп, в котором регистрируется взаимодействие солнечных нейтрино с ядрами 71-го галлия. В течение более двух десятилетий наш телескоп набирал информацию, идущую от Солнца. Параллельно с нашим телескопом, тоже под землей, был создан телескоп в Италии. Их эксперимент назывался GALLEX, а наш – SAGE, что означает советско-американский галлиевый эксперимент. 

– Так он проводился совместно с США? 

– Дело в том, что в Америке не было настолько развито это направление, и американцы очень хотели в нем участвовать. Их правительство предложило – желающие могут получить средства на участие в эксперименте либо в Советском Союзе, либо в Италии. Так к нам в СССР была направлена группа из Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL), которая с нами работала в течение многих лет в Баксанской обсерватории. Другая группа была направлена в Италию. Мы фактически соревновались, кто первый получит результат. 

– И кто же победил?

–  Мы одновременно получили эти результаты, связанные с очень важными доказательствами нашего понимания структуры Солнца и механизма выделения там энергии. Но при этом мы столкнулись с проблемами свойств нейтрино, для решения которых также требовался этот телескоп. Этими задачами мы занимаемся и сейчас.

– Что это за новые задачи? 

Дело в том, что теория предсказывала, какое количество нейтрино мы должны увидеть в галлии, но мы увидели только половину. Объяснение, куда деваются остальные нейтрино, мы долгое время не могли получить. Почему видно только половину? Оказалось, что это связано с физикой нейтрино. Нейтрино – это очень любопытная частица. Сейчас мы считаем, что их три типа или, как это еще называют, они бывают трех ароматов – электронные, мюонные нейтрино и тау-нейтрино. В Солнце рождаются исключительно только электронные нейтрино. Но теория показала, что нейтрино, рожденное с определенным ароматом, не сохраняется долго: в зависимости от его энергии и времени рождения частица может поменять свой аромат – осциллировать. А мы своим телескопом можем фиксировать только один аромат – электронные нейтрино. 

– Почему вы называете типы нейтрино ароматами?

– Физики, они же и лирики. Как отличать нейтрино друг от друга? Они ведь имеют различные свойства. Но они могут менять свои свойства, переходя из одного «аромата» в другой. Поэтому придумали «ароматы», которые тоже могут меняться.  В действительности же три поколения лептонов и кварков иногда именуют тремя ароматами. 

Каждому лептону – электрону, мюону и таону – соответствует свой тип нейтрино. Видимо, они могут родиться только с определенным ароматом в термоядерных солнечных реакциях. Они рождаются в центре Солнца, а потому выходят наружу, по дороге меняя свой аромат в зависимости от того, какую плотность проходят. 

Наш галлиевый телескоп может видеть исключительно электронные нейтрино. Поэтому была разработана и обоснована теория, что нейтрино, рожденных в Солнце, должно быть столько, чтобы это соответствовало количеству энергии, которое Солнце излучает. Но мы видим только половину, потому что по дороге на Землю, проходя всю толщину Солнца, нейтрино изменяют свой аромат. 

Это красиво звучало, но требовало доказательств. Доказательства были получены в Канадском телескопе на тяжелой воде, где могли регистрировать сразу нейтрино всех ароматов. Они показали, почему галлиевый эксперимент видит только половину нейтрино, идущих от Солнца. 

На этом физики успокоились, но произошли следующие события. Надо было доказать, что телескоп видит в галлии все электронные нейтрино. Не теряет ли он? Для этого надо было создать искусственный источник нейтрино. Нам удалось сделать искусственные источники электронных нейтрино. 

– То есть вы сделали искусственное Солнце?

– Мы даже превысили поток электронных нейтрино, приходящих от Солнца. Солнце рождает чудовищной мощности поток электронных нейтрино, но, проходя до Земли, он, конечно, рассеивается. При этом через каждый квадратный сантиметр всей поверхности Земли и нашего с вами тела в каждую секунду проходит 60 миллиардов нейтрино. Мы это никак не ощущаем, хотя все мы живем в море электронных нейтрино, которые излучает Солнце.

– Удалось ли вам понять, видит ваш телескоп все электронные нейтрино или нет?  

– Изучая, как реагирует наша мишень на поток нейтрино от искусственного источника, мы выяснили любопытную вещь: все-таки галлий не видит всего потока, который в него поступает. Так возникла новая идея: а что, если электронные нейтрино не только меняют свой аромат по дороге к нам из Солнца на Землю, но они могут превращаться еще в какие-то нейтрино? Так появилось понятие стерильное нейтрино – еще слабее взаимодействующее, чем обычное. 

И мы стали исследовать вопрос, существует ли такое явление – временный переход активного нейтрино в стерильное состояние, когда он еще практически не взаимодействует уже ни с чем. Сейчас, в настоящее время нами сделан эксперимент, который потребовал от нас десять лет упорного труда. Мы получили первые результаты эксперимента по исследованию перехода электронных нейтрино в стерильное состояние.

– Владимир Николаевич, знаю, что стерильные нейтрино – это главный претендент на темную материю. Удалось ли вам подтвердить эти догадки?

– Вопрос очень острый. Что нам удалось? Мы наблюдаем дефицит нейтрино от источника, интенсивность которого мы хорошо знаем. Мы видим, что только часть нейтрино от источника взаимодействует с галлием.  Возможно, есть объяснение этому – что часть из этих нейтрино временно переходит в стерильное состояние. 

Почему временно? Потому что, пролетев дальше, они возвращаются в своё первозданное состояние, а летя еще дальше, они снова будут переходить в стерильное состояние. Вот такая синусоидальная зависимость активности электронных нейтрино, с которыми мы работаем. Но так должно быть и с любым другим ароматом. 

Сейчас получили данные, что нейтрино меняют свою активность. Но превращаются ли они в стерильные, нам еще требуется доказать. Мы видим дефицит нейтрино, но не знаем, является ли их переход в стерильное состояние единственным механизмом, почему они не взаимодействуют. Возможно, существуют еще какие-то неизвестные нам процессы, которые выглядят как переход в стерильные. 

Мы знаем, как это проверить постановкой новых экспериментов. Те люди, которые занимаются этой задачей, вдохновлены ожиданием новых, очень интересных открытий.

– Владимир Николаевич, есть ли у вас ощущение, что мы, возможно, сейчас стоим в одном шаге от открытия того вещества, которое является носителем темной материи – загадочной субстанции, которая составляет 90% сущего?

– Я бы не спешил со столь громкими заявлениями. Да, нейтрино могут быть частью темной материи, они могут претендовать на эту роль. Это не противоречит ничему. Но данных пока недостаточно. 

Да, мы не можем объяснить те процессы, которые наблюдаем. Например, такая удивительная вещь: наша Галактика вращается вокруг какого-то центра, который мы не видим. Мы видим Солнце, вокруг которого вращаемся, и нам очень это понятно. Солнце имеет огромную массу и держит вокруг себя летающие объекты. Но мы не видим той массы в центре Галактики, которая держит всю Галактику вокруг себя, и поэтому говорим, что это темная материя. 

Какую часть этой материи составляет нейтрино – очень сложный вопрос. Пока нельзя сказать, что нейтрино могут составлять значительную часть темной материи, но какую-то часть, безусловно, могут. Надеюсь, что наши ближайшие эксперименты прольют свет на эти темные вопросы.

 

Фотографии предоставлены пресс-службой Института ядерных иследований РАН