ЭкспертНаука

Особенности подводной ловли нейтрино в зимний период

Зачем в толще байкальских вод построили самое высокое сооружение России

Андрей Константинов

Тринадцатого марта на льду Байкала празднуют запуск восьмого кластера 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, да и всей нейтринной астрономии 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?

— На самом деле дело не в том, что байкальская вода самая чистая. В Адриатике, где стоит другой нейтринный телескоп, вода еще чище. 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?

— Сейчас! Завтра откроем новый кластер телескопа — и практически сравняемся, 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 с лучшим нейтринным телескопом на планете. Реальный объем вещества, который он видит, — 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, Черенков садился в темную комнату и просто наблюдал вспышки, 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 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 — с энергией от 60 тераэлектронвольт, в 60 тысяч масс протона. Частицы с меньшей энергией мешают наблюдать фоновые помехи. Так вот, каждый кластер телескопа регистрирует около одного такого события в год. Всего мы 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 ФИАН-а 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.

Глобальная сеть нейтринных обсерваторий

Переворот в астрономии

— Почему все сейчас строят новые нейтринные телескопы?

— 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 превратилась 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».

Как устроен Байкальский глубинный нейтринный телескоп

Байкальский нейтринный телескоп располагается на расстоянии 3,5 км от берега на глубине 750–1300 метров в Южной котловине озера Байкал. Это самое высокое сооружение в России. Телескоп похож на сеть или гирлянду из тросов, на которые нанизаны стеклянные шары. Это «Квазары», детекторы телескопа — оптические модули, регистрирующие черенковское излучение — редкие вспышки света, которыми сопровождается прохождение нейтрино сквозь толщу воды (вспышки возникают, когда нейтрино сталкиваются с ядрами атомов, из которых состоят молекулы воды).

Тросы растянуты между якорями на дне озера и буями на поверхности — конструкция относительно подвижна. На дне вокруг установлены акустические датчики, которые отслеживают местоположение каждого «Квазара» и передают координаты в Береговой центр — эти данные необходимы для определения траекторий нейтрино, «засветившихся» в воде Байкала.

Сеть состоит из восьми независимых кластеров, запущенных в разные годы. На схеме изображены только семь из них, восьмой достроили сейчас. Благодаря такой модульной структуре исследования начались, как только был запущен первый кластер. Можно добавлять и новые кластеры, сколько угодно увеличивая мощность телескопа. Кластеры располагаются на расстоянии 300 м друг от друга. Каждый кластер состоит из восьми тросов-гирлянд, в каждой из которых по 36 оптических модулей. Расстояние между модулями — 15 метров. Сигналы от квазаров уходят по проложенным по дну кабелям на берег, в Центр управления, приема и обработки данных телескопа.

Сеть для ловли нейтрино

Фотографии Баира Шайбонова (Лаборатория ядерных проблем им. В. П. Джелепова ОИЯИ)

Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl