Нейтринный телескоп на дне Байкала. "В мире науки" №5-6, 2021

Почему ученые так рьяно ищут эту частицу? И зачем детекторы нейтрино устанавливаются под сотнями метров скальной породы, толщей антарктических льдов и на километровых глубинах озера Байкал? Об этом и многом другом рассказывают член-корреспондент РАН Григорий Владимирович Домогацкий, руководитель лаборатории нейтринной астрофизики высоких энергий Института ядерных исследований РАН, и академик Борис Юрьевич Шарков, вице-директор Объединенного института ядерных исследований в Дубне.

— Григорий Владимирович, нейтрино называют самой загадочной частицей. Почему?

— Во-первых, нейтрино достаточно сложно изучать, поэтому многие свойства этой частицы до сих пор неизвестны. Мы не знаем, каковы ее масса, различия между сортами нейтрино и даже число возможных сортов. Именно поэтому так важно продолжать исследования, начатые еще в прошлом веке.

В контексте нашего сегодняшнего разговора, связанного с нейтринной астрофизикой, нейтрино выделяется среди остальных частиц. Во-первых, нейтрино крайне слабо взаимодействует с веществом и, когда оно путешествует по Вселенной, практически не встречает на своем пути никаких препятствий. Поэтому траектория нейтрино не меняется. Если другие частицы испытывают на себе какие-то взаимодействия, встречают препятствия, рассеиваются либо отклоняются магнитными полями, то нейтрино путешествует беспрепятственно, поэтому эта частица в совершенно неискаженном виде несет в себе информацию об условиях, в которых она родилась. Это уникальный и единственный в своем роде инструмент изучения Вселенной.

—  Где может зарождаться эта частица?

—  На это указывает энергия нейтрино. Так, нейтрино малых энергий образуются в результате распада радиоактивных элементов на Земле. Нейтрино более высоких энергий появляются в результате термоядерных реакций в недрах Солнца. Другой источник нейтрино — остатки взрывов сверхновых звезд, накопившиеся за время эволюции Вселенной. Нейтрино высоких энергий возникают из-за мощных энерговыделений в ядрах галактик — квазарах. Исследуя разные типы нейтрино, можно получать ценную информацию об их происхождении.

— Насколько мне известно, существуют три сорта, или, как физики их называют, аромата нейтрино. Почему используется такая терминология и какие сорта известны сегодня?

— Нейтрино как частица появилось на свет в голове у физика-теоретика Вольфганга Паули для спасения закона сохранения энергии. Поэтому поначалу предполагалось одно нейтрино. Затем возникло подозрение, что их два: частица и античастица. Вскоре выяснилось, что нейтрино, которые рождаются при распаде радиоактивных ядер и при распаде мю-мезона. — это разные частицы. Далее сложилось представление, что и у тяжелого тау-мезо- на тоже должно быть свое нейтрино. Отсюда и возникло понятие ароматов. Впоследствии появилась идея о смешивании сортов нейтрино.

— То есть это скорее условное обозначение?

— Конечно.

— Физики высказывают предположение о существовании четвертого типа — стерильного нейтрино. Что известно сейчас?

— Пока это не более чем подозрения. Но наличие четвертого нейтрино вполне допускается. Стерильным оно названо потому, что практически не взаимодействует с веществом. Идея существования четвертого типа сформировалась при попытках найти объяснение ряду результатов экспериментов с рукотворными источниками нейтрино и в астрофизике. Так, первые данные микроволнового телескопа WMAP указывали на четыре типа нейтрино. А более поздние данные космического телескопа «Планк» предполагают три типа, но при этом не исключают четвертый. Проводились необходимые эксперименты, в том числе и в нашем институте в Баксанской подземной нейтринной обсерватории. Сегодня этот вопрос — абсолютно открытый и требует дальнейшего исследования. Но, скорее всего, четвертого типа не существует.

— Высказываются предположения о возможном их происхождении?

— Они могут возникать в потоке нейтрино известных сортов в результате их перехода в стерильные нейтрино.

— Нейтрино, как и все элементарные частицы, могут превращаться в другие сорта. Этот механизм известен как осцилляция. Расскажите, в чем суть этого процесса?

— Действительно, осцилляция — это переход частиц одного сорта в частицы другого сорта. Например, электронные нейтрино могут превращаться в мюонные, а мюонные — в электронные. Впервые идею о существовании подобного явления высказал Б.М. Понтекорво в 1950-е гг. В дальнейшем доводы ученого подтвердились в экспериментах на детекторе «Супер-Камиоканде» в Японии, в экспериментах с изучением потоков нейтрино от рождающихся в атмосфере частиц космических лучей высоких энергий, которые бомбардируют атмосферу.

— Есть ответ, в чем причина подобных превращений?

— Так мир устроен.

— Так просто?

— Да.

— Ведутся разговоры о том, что нейтрино может быть ключевым элементом темной материи. Насколько это реально?

— О темной материи мы вообще знаем очень мало. И говорить о какой-то связи пока рано. Темная материя существует, но состоит ли она из уже известных нам частиц — большой вопрос.

Скорее всего, при тех ограничениях на массу нейтрино, которые уже получены, эта частица слишком легкая, чтобы составлять темную материю. Поэтому на текущий момент нейтрино не пользуется популярностью как основной кандидат.

— По какому принципу работают современные детекторы нейтрино? Почему многие из них расположены либо глубоко под водой, либо глубоко под землей?

— Все детекторы природных потоков нейтрино требуют защиты от природных потоков других проникающих частиц космических лучей — мюонов. Это достигается размещением детекторов глубоко под землей или глубоко под водой, где поток мюонов подавлен на многие порядки величины. Чтобы изучать нейтрино разных диапазонов энергии, требуются и разные типы детекторов. Исторически первыми в нейтринной астрономии использовались радиохимические детекторы, различающиеся по используемому в них активному веществу, с которым взаимодействует нейтрино: хлорные и галлиевые. Так, при взаимодействии низкоэнергетичных нейтрино с атомом галлия образуется атом германия. Анализируя количество радиоактивного германия, можно определить, какой поток нейтрино проходил через это вещество.

Следующий тип детекторов известен как сцинтилляционный. Регистрируются вспышка, создаваемая электроном отдачи при рассеянии на нем нейтрино, либо электрон (позитрон), родившийся при взаимодействии нейтрино с ядром вещества сцинтиллятора. Так, в эксперименте Borexino в качестве вещества детектора использовалась ультрачистая сцинтилляционная жидкость. Этот детектор был отличным поставщиком качественной информации о потоке нейтрино от Солнца.

Потоки нейтрино более высоких энергий (десятки и сотни миллиардов электрон- вольт) исследуются с помощью сцинтилляционных и водно-черенковских детекторов, позволяющих определять направление движения частицы. В данном случае нейтрино регистрируются по эффекту появления заряженных частиц, проходящих через чувствительный объем детектора в направлении снизу вверх. «Родителями» таких частиц могут быть только нейтрино. свободно проходящие через весь земной шар.

Но если мы хотим зарегистрировать нейтрино по-настоящему высоких энергий, свыше 10¹² эВ. необходимы невероятно большие объемы вещества, вплоть до 1 км³, резервуар для которых невозможно создать искусственным путем.

В 1960-е гг. выдающийся физик М.А. Марков предложил использовать естественные водоемы для регистрации нейтрино с помощью многочисленных детекторов на глубине. В случае, когда энергия нейтрино больше 10¹⁵ эВ. сечение его взаимодействия сильно возрастает и Земля становится для него непрозрачной. Нейтрино взаимодействуют в толще Земли или в объеме детектора, рождая мюон, который движется в среде со сверхсветовой скоростью и излучает черенковский свет под строго определенным углом, зависящим от энергии мюона. Регистрируя этот свет с помощью детектора, можно определить энергию и направление мюона, а значит и родившего его нейтрино, поскольку мюоны при высоких энергиях с большой точностью сохраняют направление нейтрино.

— С чего началась история Байкальского нейтринного телескопа?

— С идеи, возникшей у М.А. Маркова. А в 1975 г. известнейшие физики Фредерик Райнес, открывший нейтрино, и Джон Лернед с группой коллег попытались реализовать эту идею с помощью проекта, который получил название DUMAIVD (Deep Underwater Muon and Neutrino Detector). В рамках проекта предполагалось создание детектора в районе Тихого океана объемом примерно в 1 км³. Такой детектор позволил бы увидеть частицы нейтрино, не только рождающиеся в атмосфере Земли космическими лучами, но и приходящие из дальнего космоса. Сформировалась группа ученых. в которую входили М.А. Марков и другие отечественные физики. Однако к концу 1970-х гг. политические события сделали невозможным дальнейшее участие российских ученых. Поэтому американцы продолжили работу над проектом самостоятельно. Он давался им с трудом, а в 1995 г. проект и вовсе был закрыт по причине отсутствия заметного продвижения в создании детектора.

После выхода СССР из проекта необходимо было делать что-то свое. На заседании ученого совета Института ядерных исследований было принято решение создать лабораторию нейтринной астрофизики высоких энергий. Отечественный физик А. Е. Чудаков предложил разрабатывать методику глубоководной регистрации на Байкале. Начав работать, мы постепенно поняли, что нам по силам создавать на Байкале детекторы, способные давать физические результаты и развивать нейтринные исследования. Поэтому уже в 1990-е гг. была сделана первая установка НТ-200. Американцы тоже не останавливались и примерно в то же 

К сожалению, его возможности не позволяли добраться до нейтрино сверхвысоких энергий из дальнего космоса. Поэтому сейчас они нацелены на создание большого детектора, и мы активно с ними сотрудничаем. Ежегодно научное сообщество проводит совместные конференции, на которых мы делимся результатами.

— Когда и как вы стали интересоваться тематикой нейтринной астрофизики? Что вас вдохновило?

— После окончания физического факультета МГУ я пришел в лабораторию нейтрино ФИАН, которой руководили замечательные физики Г.Т. Зацепин и А.Е. Чудаков. Будучи молодыми людьми, мы мало что понимали в нейтринной астрофизике, но было интересно.

Я занимался в основном теоретическими вопросами нейтринной астрофизики малых энергий, а также проблематикой Баксанской нейтринной обсерватории. Нейтринной астрофизикой высоких энергий я занялся по предложению М.А. Маркова спустя 15 лет, в 1980 г., и 1 октября 1980 г. стал заведующим лабораторией нейтринной астрофизики высоких энергий. С тех пор только этим и занимаюсь.

— Сложно ли было осваивать это направление? Ведь технологии создания нейтринных телескопов в то время были развиты слабо.

— Освоили потихоньку. Еще в 1980-е гг. мы поняли, что можем создавать глубоководные черенковские детекторы нейтрино. Это и был наш главный результат за первые десять лет работы. К тому же нам помогли условия на Байкале: зимой он покрывается льдом, с которого производится монтаж установки.

— Много ли у вас учеников и последователей? Кто сейчас продолжает ваше дело?

— Если сравнивать с 1980 г., когда были только я как заведующий лабораторией и первые два-три сотрудника, то сегодня в проекте непосредственно задействованы около 70 человек.

— Насколько сейчас эта тематика востребована в Институте ядерных исследований и в других институтах? Много ли молодых ученых интересуются этой темой?

— Сегодня эта тема очень активно и серьезно развивается в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Этот институт — наш основной партнер, и мы действительно работаем как единый коллектив. Подобные исследования ведутся и в других институтах, в том числе в МИФИ, ИГУ, и, конечно, в странах Европы.

Важно понимать, что эта деятельность требует большой концентрации усилий серьезных научных коллективов. Например, с установкой IceCube работают около 250 человек из разных университетов. Проекты, подобные IceCube, — это всегда совокупность блестящих инженерных решений и должного финансирования.

— Каковы задачи Байкальского нейтринного телескопа? На какие вопросы установка должна найти ответ?

— Напомню, что масштаб эффекта, обнаруженного IceCube (тот самый поток нейтрино из дальнего космоса),— порядка сотни событий. Необходимо собрать больше информации. Важнейшая задача Байкальского нейтринного телескопа— накопить соизмеримый объем информации о доступной для нас (но не для IceCube в силу его географического положения) области центра нашей галактики. Скорее всего, на это потребуется около пяти-семи лет работы.

Что мы получим? Во-первых, мы увидим другую часть неба, ту, что скрыта от IceCube. Мы подтвердим или опровергнем результаты установки в Антарктиде. Ведь подобные эксперименты всегда должны получать подтверждение. До сих пор IceCube работал в полном одиночестве. Теперь к работе подключается Байкальский нейтринный телескоп.

Мы — свидетели эпохи становления многоканальной астрономии (multi messenger astronomy), эпохи, когда интереснейшие активные объекты Вселенной становятся предметом изучения одновременно с помощью мировой сети инструментов оптической, гамма-, рентгеновской, а теперь и нейтринной астрономии. И Байкальский нейтринный телескоп Baikal-GVD, крупнейший детектор Северного полушария, — ключевой элемент создаваемой мировой нейтринной сети наряду с детектором IceCu.be в Антарктиде.

Борис Юрьевич Шарков, академик, вице-директор Объединенного института ядерных исследований в Дубне:

— Борис Юрьевич, ОИЯИ известен как кузница передовых научных исследований и технологий для экспериментов мирового уровня. Сохраняются ли эти традиции сегодня? И какие проекты вы считаете наиболее значимыми?

— Объединенный институт ядерных исследований— это уникальная международная и межправительственная организация, единственная в стране с таким статусом. Это дает важные политические и финансовые преимущества для организации научных исследований. В ОИЯИ представлены 18 государств-членов и шесть стран — ассоциированных членов. Это крупнейшие страны Центральной и Восточной Европы, СНГ, Азии и Латинской Америки.

ОИЯИ охватывает широкий спектр научных исследований. Должен сказать, в Дубне сохранились научный дух и научная атмосфера. Конечно, современные веяния в управлении наукой, бюрократизация и другие явления не минули и нас, но мы выстояли, бережно сохранив поистине академический, международный подход к организации научной жизни института.

В ОИЯИ научные исследования на передовом фронте ведутся по целому ряду направлений: физика элементарных частиц, ядерная физика, физика конденсированных сред, радиобиология и современный компьютинг. По каждому из этих направлений мы занимаем видное место в европейском и международном научном пространстве.

Сегодня институт находится на важном этапе своего развития. В 2020 г. состоялись выборы нового директора. Пришел молодой, очень активный и динамичный человек, который вырос в Дубне и получил здесь научный опыт, — академик Г.В. Трубников. Напомню, что Григорий Владимирович занимал пост первого заместителя министра науки и высшего образования и вернулся в ОИЯИ с важным для нас багажом управленческого опыта. Естественно, происходит омолаживание управленческих структур института, внедряются современные эффективные способы управления наукой.

Недавно мы приняли стратегию развития института до 2030 г. и далее. Она предусматривает работу по двум ведущим направлениям: первое посвящено научному поиску и приоритетам передовых исследований, а второе затрагивает все многообразие аспектов развития института как международной межправительственной организации, включая вопросы кадровой политики и социальной инфраструктуры.

— Почему во всем мире сделана ставка на проекты класса мегасайенс?

— Альберт Эйнштейн говорил: «Жизнь — как вождение велосипеда. Чтобы сохранить равновесие, ты должен двигаться». И сотрудники института точно знают, в каком направлении двигаться. Около десятилетия назад был предложен проект NICA, который сегодня находится на завершающей стадии своего создания. Это уникальный ускорительный комплекс мирового класса — мегасайенс-проект.

Почему такие проекты важны? В современной физике крупные проекты, словно магниты, притягивают к себе молодежь, лучшие умы со всего мира и передовые технологии. Все вместе дает потрясающий синергетический эффект. Институт, который осмелился реализовывать мегасайенс-проект, сразу занимает ведущее место не только в собственной стране, но и в мире.

ОИЯИ следует этой тенденции, активно создавая коллаборации — сообщества ученых, которые хотят работать на новой установке. Активное участие сотен ученых из десятков ведущих институтов и государств — убедительный признак того, что мы делаем правильное дело.

Другой крупный проект известен как «Фабрика сверхтяжелых элементов». Напомню, что именно в Дубне синтезированы сверхтяжелые элементы — дубний, флеровий, оганесон и ряд других. Последний назван в честь академика Ю.Ц. Оганесяна, выдающегося ученого, активно работающего в нашем институте. Исследования обеспечивает уникальный новый циклотрон с огромной производительностью, на котором уже получены интересные научные результаты.

Помимо этого, важные научные направления развиваются с привлечением уникального нейтронного источника — импульсного реактора ИБР-2. Этот реактор, рекордсмен по яркости потока тепловых нейтронов, используется для исследований по нейтронной ядерной физике и физике конденсированных сред. Многие исследовательские реакторы прошлых поколений уже вырабатывают свой ресурс, и проекты закрываются. А потребность в нейтронах в мире для исследований по целому ряду фундаментальных и прикладных задач только растет. Именно поэтому в Дубне создан международный центр коллективного пользования, который обеспечивает нейтронными потоками 15 экспериментальных станций для фундаментальных и прикладных исследований.

И, конечно, одно из значимых направлений — современный компьютинг. Наша лаборатория информационных технологий пошла по очень нестандартному пути. Мы не стали гнаться просто за производительностью нашего суперкомпьютера. Вместо этого сотрудники ОИЯИ разработали умную многофункциональную архитектуру на основе прорывных информационных технологий. Она не только обеспечивает все проводимые эксперименты в ОИЯИ, в России и за рубежом (например, в CERN). но и включает распределенную систему хранения данных — «озеро данных», постоянно расширяет ресурс облачной инфраструктуры.

Созданные технологии неизменно развиваются. Это живая цифровая экосистема, которая растет вслед за развитием IT- индустрии в мире.

— Расскажите об участии ОИЯИ в создании Байкальского нейтринного телескопа.

— Начну с того, что нейтрино — удивительная и совершенно неуловимая частица. Нейтринная физика — ключ к современным загадкам физики частиц, космологии и астрофизики, передовой фронт развития науки. Она призвана дать ответы на фундаментальные вопросы о законах Вселенной.

Нейтрино почти не взаимодействует с другими частицами, а значит, достигает Земли, преодолевая огромные расстояния космического масштаба без изменений. Высказываются идеи о будущих каналах связи, основанных именно на модулированных потоках нейтрино.

Современные детекторы сделали очень большой шаг по чувствительности и сегодня способны весьма точно определять типы нейтрино и их источник. Помимо решения фундаментальных вопросов, исследования нейтрино имеют значимый прикладной аспект. Уже сегодня мы можем использовать свойства нейтрино для изучения процесса выгорания топлива внутри действующего атомного реактора, для анализа явлений, происходящих в недрах Земли. Байкальский нейтринный телескоп представляет собой международный проект — ключевой элемент для создания сети установок для изучения потоков космических нейтрино, крупнейший из детекторов нейтрино в мире наряду с IceCube на Южном полюсе и ANTARES и Km3NET в Средиземном море.

Реализация подобных проектов требует притока творческой молодежи. Мы нуждаемся в креативных молодых людях, которые горят наукой. В ОИЯИ создана образовательная программа, призванная готовить талантливых ребят в рамках летних и зимних школ, тренингов, стажировок и т.д. Речь идет не только о российских студентах: к нам приезжают соискатели из стран — членов ОИЯИ, да и со всех концов мира. Конечно, пандемия повлияла на этот процесс, но мы надеемся, что приток иностранных молодых ученых продолжится в ближайшее время.

А в 2019 г. нам удалось сформировать новую систему — конкурс на позиции так называемых выдающихся постдоков. Это еще один способ привлекать звезд мировой науки — молодых ученых до 40 лет, которые получили свои PhD-степени за рубежом и уже проявили высокие научные и лидерские качества. Институт дает мощную поддержку на уровне европейских стипендий, обеспечивает жильем. Но конкурсный отбор очень серьезный. Конкуренция здесь высока: ведь и другие лаборатории по всему миру борются за молодых и талантливых ученых.

— С какими сложностями столкнулись институт и участники коллаборации во время создания Байкальского нейтринного телескопа?

— Все подобные проекты так или иначе встречаются с проблемами и вызовами. В нашем случае, например, накладываются сезонные ограничения: телескоп можно собирать только зимой, когда Байкал покрывается льдом. Поэтому монтаж установки проходит достаточно медленно.

С другой стороны, ощущается недостаток квалифицированных специалистов. Эта проблема распространена повсеместно и знакома каждому руководителю крупных европейских мегасайенс-проектов.

В современной науке две беды: бюрократия и нехватка кадров. Схватка за профессионалов— самая серьезная. Необходимо предлагать физические задачи высочайшего класса, достойный уровень заработной платы и соответствующее качество социальной среды, в которой живут и работают ученый и его семья.

Другая проблема, бюрократия, решается благодаря тому, что мы не мешаем ученому работать, а помогаем ему. В ОИЯИ полностью регламентирован процесс закупок и отчетности. Этим занимаются специально подготовленные профессионалы, которые обеспечивают ученых всем необходимым.

— Ожидаете ли вы, что Байкальский нейтринный телескоп привлечет еще больше молодых ребят в науку, в том числе в Дубну и другие институты, участвующие в проекте?

— Бесспорно. И могу сказать, что это уже происходит. После запуска телескопа поток данных стал нарастать, как и уровень интеграции в глобальную астрофизическую сеть, что, конечно, привлекает молодых ученых. Поэтому я не сомневаюсь, что запуск Байкальского нейтринного телескопа вызывает огромный интерес. Кроме того, особым вниманием пользуются биофизика, IT, радиобиология и биомедицина — так называемые вечнозеленые направления (как их именовал академик В.Е. Фортов), которые всегда востребованы.

— Какие ключевые векторы современной физики вы бы выделили для молодых людей, которые сейчас учатся на физических факультетах и выбирают сферу деятельности?

— Хочу вновь обратить внимание на направления, которые обеспечивает NICA. Здесь и релятивистская ядерная физика, и генерации кварк-глюонной плазмы, критическая точка и фазовый переход адронной материи и многое другое.

Другое интересное и востребованное направление — нейтронное рассеяние, включая нейтронно-активационный анализ, позволяющий с высокой точностью исследовать, например, исторические артефакты: мумии, старинные сосуды, древние предметы и захоронения.

Главный движитель науки — человеческое любопытство. Альберт Эйнштейн призывал не прекращать задавать вопросы и не терять священной любознательности. Поэтому, так или иначе все направления пробуждают интерес у молодежи. Мы за этим внимательно следим и всячески стимулируем.                             

Беседовала Анастасия Пензина