Самые мощные ускорители во Вселенной. О блазарах, нейтрино и проекте «Нейтрино и астрофизика частиц» рассказывает академик В.А. Рубаков

Современная многоканальная астрономия ― новая область науки, которая рождается буквально на наших глазах. Российский проект «Нейтрино и астрофизика частиц» ― важнейший элемент этого направления не только в нашей стране, но и в мире. О самых громких результатах проекта в интервью «Научной России» рассказал академик Валерий Анатольевич Рубаков ― главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН), руководитель проекта «Нейтрино и астрофизика частиц».

― Недавно участникам проекта впервые в мире удалось установить связь нейтрино с блазарами. Расскажите, пожалуйста, об этом результате и о других открытиях, сделанных в ходе проекта.

― Тот результат, о котором вы уже упомянули, действительно очень важный и уникальный. Он впервые получен  моими коллегами Ю.Ю. Ковалевым, С.В. Троицким, А.В. Плавиным и Ю.А. Ковалевым. Почему этот результат интересен? Потому что мы на самом деле не знаем источник нейтрино высоких энергий. Эти нейтрино высоких энергий приходят к нам из космоса, и их регистрируют американо-европейская нейтринная обсерватория Ice Cube и наш глубоководный Байкальский нейтринный телескоп, ― но неизвестно, где эти нейтрино генерируются. И это очень важный вопрос, потому что речь идет о самых мощных ускорителях во Вселенной. И вот впервые за все время у нас появилось серьезное указание на то, что источники этих нейтрино высоких энергий ― блазары. Судя по всему, в блазарах генерируются нейтрино, которые прилетают к нам на Землю, и благодаря их изучению мы сможем узнать в будущем, какие процессы происходят внутри далеких блазаров.

― Эти блазары находятся в других галактиках?

― Да, это далекие галактики, в центрах которых находятся черные дыры с массами в миллиарды раз бóльшими массы нашего Солнца. Эти блазары очень ярко светят. Это очень мощные и интересные объекты в нашей Вселенной. По-видимому, там генерируются не только нейтрино, но и космические лучи: протоны, ядра сверхвысоких энергий. Но прямых доказательств этому пока нет.

― А что насчет нашей Галактики?

― А здесь мы возвращаемся к вашему первому вопросу о результатах проекта. Один из них как раз и связан с Млечным Путем. Оказывается, и в нашей Галактике имеются источники нейтрино высоких энергий, но их энергии меньше, чем энергии нейтрино, испускаемых блазарами из тех далеких галактик. Речь идет об энергиях фотонов и нейтрино примерно в 100–300 ТэВ ― это в десятки раз бóльшие энергии, чем на коллайдере в CERN. Фотоны с такой энергией, приходящие с того же направления и в то же время, что и высокоэнергичные нейтрино, были впервые зарегистрированы в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН. Это совершенно новое явление, которое вписывается в такое направление науки, как многоканальная астрономия, когда космический объект изучается с помощью самых разных «посланников»: нейтрино, фотонов, космических лучей высоких энергий, фотонов низких энергий в оптическом и радиодиапазонах, гравитационных волн.

Вообще, многоканальная астрономия ― это очень модное в науке направление, но реальная многоволновая астрономия только начинает свое развитие и данные, получаемые в проекте «Нейтрино и астрофизика частиц», имеют самое прямое отношение к ее становлению. Эта наука рождается буквально на наших глазах, потому что появились инструменты, которые могут разными способами изучать один и тот же объект.

― Ключевой инструмент проекта «Нейтрино и астрофизика частиц» ― это Байкальский нейтринный телескоп?

― Да, это так. Байкальский телескоп был официально запущен недавно, в 2021 г., но на самом деле он имеет более давнюю историю. Этот проект начал развиваться еще в 1970–1980 гг.

― С подачи М.А. Маркова, насколько я помню.

― Да. Именно академики М.А. Марков и А.Е. Чудаков предложили в свое время создавать подводные эксперименты по поиску нейтрино, в частности на Байкале. Затем это направление постепенно развивалось и активно стало разворачиваться как раз недавно, в связи с тем, что в этот проект вошли Объединенный институт ядерных исследований и другие важные игроки. Байкальский телескоп активно набирает обороты. Он уже работает в хорошем объеме.

― Получается, в мире есть всего две установки по регистрации нейтрино высоких энергий, расположенные в толще воды или льда: Ice Cube и наш Байкальский телескоп?

― Да. Европейцы тоже хотели подключиться, но отстали. Планировалось установить два нейтринных телескопа в Средиземном море, но пока у них медленный прогресс. Но рано или поздно, думаю, европейский телескоп войдет в строй ― и это замечательно, ведь тогда у нас будет уже три отличных установки!

― На какой период рассчитано финансирование проекта ― 300 млн руб.?  И наверняка основные средства тратятся на модернизацию оборудования?

― Финансирование проекта рассчитано на три года. Сейчас как раз начался третий год. Это грант, как вы знаете. Пока не могу сказать, будет он продлеваться или нет; очень часто бывает, что подобные проекты продлеваются еще на год или на два. Деньги идут, с одной стороны, на оборудование, потому что, как вы понимаете, это очень дорогостоящая история, а с другой стороны (это меньше половины бюджета) ― на поддержку ученых, которые занимаются этим делом, в том числе на поддержку наших новых сотрудников из России и из-за рубежа, которых мы приняли на работу в связи с открытием проекта. Это большая коллаборация ученых. Я рассказал далеко не обо всех результатах проекта, их довольно много.

― Тогда вернемся к результатам.

― Хорошо. Есть, например, очень интересные результаты по поиску стерильных нейтрино. Мы хорошо знаем три типа нейтрино, но вполне возможно, что существуют и другие типы этих загадочных частиц. По одной из гипотез, стерильные нейтрино могут образовывать темную материю во Вселенной. Это очень перспективное направление для исследований, и сегодня самые интересные результаты в этой области мы получаем в эксперименте DANSS (ОИЯИ и ФИАН) из активной зоны реактора Калининской АЭС и от установки «Троицк ню-масс». К слову, в Троицке мы получаем лучшие на сегодня результаты по поиску сравнительно тяжелых стерильных нейтрино, которые особенно интересны как кандидаты на роль частиц темной материи .

Нельзя не упомянуть и о международном проекте T2K по изучению осцилляций известных нам нейтрино, который реализуется в Японии и в котором мои коллеги из ИЯИ РАН и ОИЯИ принимают очень серьезное участие. Там тоже есть интересные результаты, и касаются они различий между нейтрино и антинейтрино, то есть между материей и антиматерией в нейтринном секторе. Тема, кстати, имеет и свои зацепки в космологии, ведь мы все состоим из материи, антиматерии нет во Вселенной.

Еще одно интересное направление ― развитие астрономических наблюдений объектов, в которых могут рождаться нейтрино и протоны высоких энергий. Развитие этого направления происходит в рамках нашего проекта «Нейтрино и астрофизика частиц» в высокогорной обсерватории Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга (ГАИШ) МГУ под Кисловодском. Там существенно модернизируются уникальные инструменты и есть возможность проведения исследований в интереснейшем диапазоне электромагнитного излучения: инфракрасном. Это единственный в стране инструмент, который будет оснащен приемниками инфракрасного излучения. Не забудем и о развитии радиоастрономии, связанном со Специальной астрофизической обсерваторией РАН в Нижнем Архызе на Северном Кавказе. Там есть огромный телескоп под названием РАТАН-600. Оказалось, что он прекрасно подходит для мониторинга источников радиоизлучения, в нашем случае ― блазаров.

Это важно, потому что, похоже, нейтрино, которые идут от далеких блазаров, рождаются там во время всплеска радиоактивности, то есть вспышка в центральной области блазара, вблизи черной дыры, приводит к рождению нейтрино. Этот мониторинг совместно с данными нейтринных телескопов на Байкале и Южном полюсе уже привел к интереснейшим результатам, о которых я говорил, и мы надеемся, что РАТАН-600 и в дальнейшем поможет более детально изучить этот вопрос. Развитие и поддержание этого уникального инструмента в форме ― еще одна из важных задач нашего проекта.

― У проекта «Нейтрино и астрофизика частиц» впереди еще один год. Расскажите, пожалуйста, напоследок о планах на будущее.

― Задел на будущее очень важен. И здесь я могу рассказать о новом детекторе нейтрино низких энергий ― частиц, которые тоже представляют большой интерес для ученых, в особенности с точки зрения изучения недр Земли и Солнца. Изучать их планируется в Баксанской нейтринной обсерватории, глубоко под горой ― это будет подземный эксперимент, для развития которого требуется провести много предварительных исследований, в частности подготовить вещество детектора. В рамках проекта как раз и происходит разработка новых сцинтилляторов и сцинтилляционных добавок для того, чтобы они были использованы в этом детекторе. Это задел на довольно отдаленное будущее.

В целом, проект «Нейтрино и астрофизика частиц», конечно, очень объемный. И огромная его польза, помимо решения фундаментальных задач современной физики, заключается в том, что люди из разных институтов, имеющие разный бэкграунд и разные научные интересы, собираются в большие команды, ведут совместные работы, ― это очень существенная вещь, на мой взгляд. Такого у нас не было уже давно. Подобные проекты с вовлечением большого количества самых разных специалистов значительно продвигают науку вперед.