Нейтрино расскажут всю правду о Земле и космосе

Сергей Троицкий, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, член-корреспондент РАН: «Нейтрино расскажут всю правду о Земле и космосе». 

– Сергей Вадимович, какие научные направления работы Института сегодня наиболее актуальны? 

– Наш институт, хотя и называется Институтом ядерных исследований, однако ядерная физика занимает небольшую часть среди направлений, которые находятся в сфере интересов сотрудников, а самые большие и интересные проекты и достижения института тесно связаны с другими направлениями. Речь идет о физике элементарных частиц и об исследованиях на стыке физики частиц и астрофизики. 

Почему мы этим занимаемся? Известно, что наши возможности в постановке экспериментов в области физики частиц ограничены. Сегодня у нас есть Большой адронный коллайдер. Это не самый большой эксперимент. Самые большие эксперименты, которые есть в физике частиц, – это нейтринные пучки, которые пробивают несколько сотен километров из ускорителя в детектор. Семьсот километров – это уже большая часть Земли. Ну, еще чуть-чуть можно это увеличить – будет вся Земля. На этом все закончится, и наши возможности – технические, финансовые и чисто географические, – на этом остановятся. Однако чувствительности этих экспериментов не хватает для того, чтобы изучить некоторые интересные частицы, проверить гипотезы, которые возникают в физике частиц, поискать новые частицы, которые мотивированы уже полученными экспериментальными данными. Значит, нам надо как-то выходить из колыбели человечества и использовать те расстояния, которые есть во Вселенной. Сейчас мы регистрируем на Земле космические частицы с энергиями, на много порядков превышающими энергии, которые мы достигаем на Большом адронном коллайдере. То есть, речь идет о колоссальных масштабах энергий. Изучение свойств частиц с помощью информации, которую мы получаем из астрофизических источников, – это одно наше важное направление. 

Второе направление связано с тем, что классическая астрономия в основном имеет дело с электромагнитным каналом, с изучением фотонов разных энергий и диапазонов. С этим связаны все колоссальные достижения последних десятилетий. Но, кроме этого канала, от астрофизических объектов прилетают и элементарные частицы. Это и космические лучи, но в первую очередь нас интересует нейтрино. 

– Почему именно нейтрино? 

– Потому что нейтрино очень слабо взаимодействуют, и они не заряжены, а значит, не отклоняются магнитными полями. Они прилетают прямо от источника, как и фотоны. Раз они слабо взаимодействуют, они собираются со всей Вселенной, не поглощаясь. Это дает возможность ставить принципиально новые, интересные задачи. 

– Как вы их изучаете? 

– С одной стороны, мы изучаем частицы методами астрофизики. С другой стороны, мы используем детекторы элементарных частиц для решения астрофизических задач.  Если говорить о самой интересной для нас частице – нейтрино, то его зарегистрировать очень сложно, потому что по дороге от каких-то космических объектов оно ни с чем не взаимодействует, а значит, оно и с нашим экспериментальным оборудованием не будет взаимодействовать, просто пройдет насквозь и ничего с ними не случится. Представьте: каждую секунду сквозь нас с вами пролетает сто миллиардов нейтрино только от Солнца. А еще есть и реакторные, и нейтрино из других астрофизических источников. И нам надо как-то научиться их регистрировать. Для этого нужны большие детекторы. 

– Но что это даст, если они всё равно ни с чем не взаимодействуют? 

– Слабо, но взаимодействуют. Некоторые частички все-таки задержатся. А с другой стороны, такие события будут очень редкими, и нам нужно эти детекторы защитить от имитации таких событий – от того, что мы называем фонами. Чтобы решить задачу, надо, во-первых, эти детекторы всё время увеличивать. Но, к сожалению, когда увеличиваешь, то и число ложных срабатываний тоже растет. Поэтому их нужно защищать, прежде всего, от космических лучей, от имитирующих нейтринные события мюонов. Ничего лучше не придумано сейчас в мире, кроме как уходить глубоко под землю, потому что мюоны эти под землю хотя и проникают, особенно при высоких энергиях, но не так хорошо, как нейтрино. И поэтому, если мы уйдем на несколько километров под землю, то у нас этот фон будет закрыт. 

– Либо под воду. И то, и другое, как я знаю, вы делаете.

– Да. У нас есть два больших экспериментальных комплекса – один подземный, другой подводный. Они решают разные задачи. Хотя основная задача у обоих – это регистрация астрофизических нейтрино в условиях защиты от фоновых срабатываний детектора. Наш подводный эксперимент расположен на Байкале, и это самая первая в истории реализация подводного метода.

– На какой глубине он находится? 

– Примерно полтора километра. Вообще метод подводного детектирования хорош тем, что сама вода является таким детектором. Байкал уникален тем, что он очень чистый и глубокий, вода в нём пресная, и это тоже лучше для исследований. Первые пробы этого метода были несколько десятилетий назад сделаны именно на Байкале. Придумали его сотрудники нашего института, но это уже история. Потом это дело стало развиваться, люди поняли, что вместо воды можно использовать лед, а это та же самая вода, и сделали большой эксперимент кубокилометрового масштаба на Южном полюсе. Называется он «IceCube». Такие эксперименты делаются большими международными коллаборациями. Этот эксперимент, который заработал несколько лет назад, состоит в том, что большое количество дорогостоящего оборудования вморожено в антарктические льды и регистрирует вспышки от редких взаимодействий нейтрино со льдом. Проект уже дал очень интересные, совершенно необычные результаты, о которых люди не знали, по астрофизическим нейтрино высоких энергий. Они зарегистрировали события, которые не могут быть связаны с земными источниками, потому что при таких энергиях на Земле просто не рождается достаточное количество нейтрино. Они явно астрофизического происхождения. Но совершенно непонятно откуда. Это задаёт загадки астрофизикам. Значит, возникает необходимость проверить это каким-то другим экспериментом. Причем желательно, чтобы этот эксперимент находился в Северном полушарии. 

– А Байкал как раз в Северном. 

– Точно. Вот так удачно складывается, что мы можем использовать в своем эксперименте немножко другую среду – чистую воду. В чем разница? Представьте себе, что вы смотрите через большой чистый кусок льда или большой чистый объем воды. Через лёд вы видите дальше, но через воду – чётче, потому что лёд рассеивает, он имеет кристаллическую структуру. Для того чтобы определить, откуда точно пришло это нейтрино, лучше использовать именно чистую воду. Так родилась идея, и она реализуется – создать большой эксперимент такого же или даже большего масштаба на озере Байкал. 

– И как раз в эти дни, как я понимаю, вы его запускаете?

– В настоящий момент каждый год этот эксперимент наращивается. Сейчас сделано и уже работает 3/8 этого эксперимента. К 2020 году, если все пойдет хорошо, наша установка достигнет размера «IceCube» на Южном полюсе и начнет работать в полную силу. Соответственно, можно будет ожидать каких-то ответов на астрофизические вопросы. 

– А каких вы ждете ответов?

– В первую очередь – откуда берутся эти нейтрино? Очевидно, что они в каких-то совершенно экстремальных астрофизических объектах могут рождаться. Речь идет о высокоэнергичных взаимодействиях, существенно выше энергии Большого адронного коллайдера – по крайне мере, в 10 раз. 

– Что вам уже удалось понять с помощью этого эксперимента?

– Пока начинают понимать, как «устроена» вода. С ней тоже много загадок. Как устроена биосистема Байкала. Исследуются фоны, свечения, связанные с живыми организмами. Здесь мы, физики, тесно взаимодействуем с биологами, экологами. 

Второй вопрос, который с этим связан, – нам пока не известен теоретически механизм рождения нейтрино. Мы знаем, что фотоны таких энергий, в отличие от нейтрино, которые собираются со всей Вселенной,  сильно поглощаются. До нас доходят фотоны только из нашей Галактики. Это ерунда по сравнению с размерами Вселенной. Именно поэтому фотонами этих энергий астрономы никогда не интересовались, и не было установок в мире, которые могли бы поискать источники таких фотонов. Нейтрино – совсем другое дело. 

Но встает вопрос – как определить источники нейтрино? Если они галактические, то до нас должны доходить от них и фотоны. Значит, всё же есть интерес поикать такие фотоны. И оказалось, что в этих целях может пригодиться наша Баксанская нейтринная обсерватория. Там есть небольшая наземная установка, которая была создана для изучения космических лучей. Но выяснилось, что она способна регистрировать фотоны именно тех энергий, которые «IceCube» и Байкал регистрируют в нейтринном канале. Установка называется «Ковер», сейчас мы её усовершенствовали и в обновлённом виде запускаем уже в нынешнем году. Она будет работать на пару с «IceCube». 

– Каких ожидаете результатов? 

– А у нас уже есть результаты, с установки в старой конфигурации. Пока мы не видим на этой установке фотонов, которые совпадали бы с нейтринными направлениями «IceCube». Это означает, что пока у нас регистрируются источники внегалактические. Но дальше чувствительность установки будет поднята, и скоро мы ожидаем интересных уточнений. 

– Понятно, что на Байкале на глубине полтора километра люди не работают – данные с установки передаются наверх по специальным кабелям. Но правильно ли я понимаю, что сотрудники института на Баксане работают под землёй? 

– Какая-то часть аппаратуры, конечно, находится на поверхности, но самые интересные приборы, действительно, расположены под землей на глубине четыре километра. В горах выдолблен длинный тоннель, по нему движутся специальные вагонетки, и так вы едете по черноте, как в фантастическом фильме, а потом вам вдруг открываются чистейшие залы, люди, работающие в белых халатах. Когда я первый раз, будучи аспирантом, там побывал, на меня это произвело совершенно неизгладимое впечатление. Особенно этот  контраст – тёмная пещера и люди в белом… 

– А над всем этим заснеженный Эльбрус.  

– Да, там очень красиво. Так вот, если говорить о первых результатах, то этот эксперимент доказал, что источником солнечной энергии, от которой зависит вся наша жизнь, действительно являются термоядерные реакции. То есть эксперимент нашел нейтрино, исходящие от основной массы термоядерных реакций Солнца. Эксперименты, за которые дали Нобелевские премии, нашли нейтрино более высоких энергий. Но они сделали это раньше, потому что более высокие энергии проще регистрировать. Здесь был сделан эксперимент, который зарегистрировал основную часть потока нейтрино от Солнца, и стало ясно, что там действительно идут ядерные реакции. Эти сто миллиардов нейтрино, которые через меня и через вас пролетают каждую секунду, зарегистрированы впервые в галлиевых экспериментах. Один проходил в Италии, второй – параллельный – здесь, на Баксане. Из 50 тонн галлия за месяц от взаимодействия с нейтрино образуется 15 атомов германия. Представляете – 15 атомов в 50 тоннах. И эти 15 атомов химическим способом извлекаются. 

Но этот эксперимент свою задачу уже решил. Сейчас начинается новый и очень интересный эксперимент, который скоро запустится, для него изготавливается необходимое оборудование. В нём будет использоваться тот же самый галлий и тот же самый метод детектирования, но только не Солнце будет являться источником нейтрино, а сами учёные поставят радиоактивный источник в шахту. 

– Для чего вы это делаете?

– Для того чтобы точно знать две вещи. Во-первых, мы точно знаем, сколько нейтрино излучает радиоактивный источник: мы его сами сделали. А во-вторых, мы можем изучить, как поток нейтрино падает с расстояния от источника. Там будет две зоны – шар и в нем еще один шар, а в серединке источник. Соответственно, можно посчитать, сколько взаимодействий будет во внешнем шаровом слое. И можно изучить, нет ли превращений нейтрино. Это очень горячая тема, потому что на существование таких превращений есть различные указания, но не очень пока надежные, и это говорит о том, что нейтрино существует на самом деле не три типа, как мы все считаем, а четыре. Есть ещё так называемое стерильное нейтрино. Это очень интересно теоретически. И физика, и астрофизика, и космология – словом, очень много может быть приложений в разных науках, связанных так или иначе с этим типом нейтрино, если оно существует. Этот эксперимент должен проверить указания на существование такого нейтрино. Все уже готово, сейчас изготавливается радиоактивный источник. Мы все ждем запуска. 

Но самое главное, с чем у нас сейчас связана Баксанская часть нашего института, – это проект на очень большое будущее, который мы заявили вместе с байкальским экспериментом. Наше правительство собирало заявки на проекты класса MegaScience. В рамках такого амбициозного, дорогостоящего проекта мы хотим построить большой сцинтилляционный детектор очень глубокого залегания, который будет регистрировать нейтрино. 

– То есть, еще глубже?

– Немного глубже. Мы хотим подавить фоны еще и тем, что он сам будет очень чистый. То есть мы достигаем там такого уровня, что фоны из самого материала детектора – сцинтиллятора, который используется там вместо воды, – становятся важны. Рабочего вещества там будет 10 килотонн. 

– Какая здесь ставится задача?

– Очень много разных задач.  Дело в том, что Баксан для этого является очень правильным местом, фактически уникальным. В мире штук 10 есть такого типа подземных лабораторий. Они отличаются друг от друга глубиной залегания и фоном от атомных электростанций. Есть более глубокие, чем Баксан. Но по сочетанию глубины залегания и фона от атомных электростанций есть только две лаборатории в мире, которые могут конкурировать – это Баксан и новая, строящаяся обсерватория Jinping в Китае. Они там уже решили ставить другого типа детектор, который будет к нейтрино низких энергий не чувствителен. Поэтому часть задач можно решать в обоих местах, но часть остается только на Баксан. Это задачи, связанные с солнечными нейтрино. Дело в том, что кроме водородного цикла есть еще так называемый CNO-цикл в Солнце. Это большая загадка Солнца, которая будоражит умы уже лет 15: разные данные по внутреннему строению светила никак не согласуются друг с другом. И мы надеемся дать ответ на эту загадку, померив поток CNO-нейтрино. И эту задачу можно будет решать только на Баксане. 

Вторая задача, которую можно решать на любом эксперименте такого масштаба,  – это изучение нейтрино от нашей планеты, или геонейтрино. Оказывается, мы лучше знаем сейчас внутреннее устройство Солнца, чем нашей родной Земли. 

– Неужели?

– Да, мы не знаем, что у нас находится внутри, откуда происходит тепло? Есть гипотезы, а точных ответов нет. Может быть, там работает ядерный реактор, а может, и нет. Ядро, может быть, твердое, но, вероятно, жидкое. Как это узнать наверняка? Нужно измерять поток нейтрино от Земли при соответствующих энергиях, желательно в разных местах планеты, потому что есть еще потоки от земной коры. А чтобы избавиться от этого влияния земной коры, надо поставить эксперименты в разных местах – на Баксане, в Китае, в Канаде, в Японии. 

Следующая чисто астрофизическая задача – это нейтрино от взрывов сверхновых. На Баксане уже есть, честно скажем, несколько устаревший телескоп, не очень глубокого залегания. Называется он «Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп» (БПСТ). Это такой четырехэтажный дом под землей – четыре этажа детекторов, сцинтиллятор залит в специальные бочки. Он хорошо поработал, и среди прочего сделал одно очень важное открытие – зарегистрировал нейтрино от вспышки Сверхновой в Большом Магеллановом Облаке в 1987 году. Это была единственная за время нейтринной астрономии достоверная регистрация нейтрино, связанная с объектом за пределами Солнечной системы. И это открытие поставило перед астрономами массу новых, совершенно фантастических вопросов. 

– Например? 

– Ну, например, четыре детектора зафиксировали этот сигнал, но один из них зафиксировал на несколько часов раньше. То есть, получается, что было два сигнала, как будто взрыв состоял из двух частей. Причем почему-то один детектор зафиксировал один сигнал, а три других – другой. Почему? Как это объяснить? Всё это было на пределе чувствительности, потому что детекторы были рассчитаны на то, что Сверхновая взорвется в нашей Галактике, а не в её спутнике. Однако они смогли зафиксировать вспышку и дать астрономам богатую пищу для раздумий. 

Сейчас мы хотим сделать детектор такой чувствительности, что он сможет зарегистрировать не только вспышку в нашей или соседней галактике, но и нейтринный поток от всех далеких сверхновых во Вселенной. Новый телескоп называется НБНТ (Новый баксанский нейтринный телескоп), и он сможет решать массу интереснейших научных задач. 

– Сергей Вадимович, это все имеет исключительно фундаментальный характер или есть какие-то выходы на практическое применение?

– Здесь ответ состоит из двух, скажем так, слоёв. Первый слой относится к любым фундаментальным исследованиям, которые ранее нигде никто не делал. Что значит создать такой детектор? Его никто в мире не умеет делать. Значит, для того чтобы сделать детектор, нужны новые материалы, новые технологии детектирования единичных событий, очистки и так далее. Когда эти технологии разработаны, дальше они, конечно, пойдут в мир. Например, наиболее известная технология, которая была разработана для такого пионерского эксперимента в физике, – это всемирная паутина Интернет. Она была разработана в CERN для обработки данных электрон-позитронного коллайдера. 

– Теперь мы без нее не представляем себе жизни. 

– Да, абсолютно. Что касается Большого адронного коллайдера, который был построен позже, то здесь обычно приводят пример с магнитно-резонансной томографией, которая сильно подешевела за счет того, что для LHC нужны было именно такие магниты, только в таком количестве, которое не снились медикам, и их научились делать за разумные деньги. А потом и медицинские томографы подешевели. Резкое распространение МРТ во всем мире произошло как раз после запуска Большого адронного коллайдера. Мы не можем точно предсказать последствий своих фундаментальных исследований. Мы не знаем, где это «выстрелит». Но «выстрелит» непременно. Человек, который писал всемирную паутину, первый Web сервер создавал в CERN. 

– И он не ожидал такого результата. 

– Конечно, он не знал. И, кстати, не запатентовал своё изобретение, а положил всё в открытый доступ. И дело пошло в массы. 

Что касается второго слоя, это есть так называемые гарантированные технологические приложения. Возьмем Байкал. Я уже говорил про экологические приложения: состояние озера, биология, чистота и так далее. Это одно из приложений готовой установки. Или возьмем подземные детекторы с нейтрино. Здесь возникает вопрос контроля того, что делается на Земле – в том числе, контроля за ядерными реакторами. В принципе, если сделать несколько детекторов в разных местах, это будет такой стереоскопический контроль за всеми ядерными событиями на планете. Таких практических приложений может возникнуть множество, и ценность фундаментальных научных исследований заключается, в том числе, и в этом.