Поможет ли это в ближайшем будущем исследованиям на Большом адронном коллайдере — вопрос чисто риторический. (Достаточно хотя бы вспомнить, что именно новосибирские ученые в 2019 году открыли новые свойства кварков). А вот для нашего исследовательского сообщества возвращение порядка пяти сотен ученых пойдет точно на пользу. Ведь в России сейчас реализуется, как минимум, около десятка научных проектов мирового уровня.
Наши ученые пытаются приблизиться к главным тайнам мироздания. Причем тон в этих исследованиях последнее время задают именно физики-ядерщики. Один из таких мегапроектов, который уже на начальном этапе потребовал вложений в 2,5 миллиарда рублей, называется Baikal-GVD (Baikal Gigaton Volume Detector). Это гигантский нейтринный телескоп, отслеживающий частицы в глубинах озера Байкал.
Из архива фотографий Объединенного института ядерных исследований (Дубна)
О том, в чем смысл «охоты на нейтрино» и что они нам могут рассказать о рождении Вселенной, мы решили узнать у директора Объединенного института ядерных исследований, академика Григория Трубникова. Правда, начался наш разговор совсем с другого вопроса...
— Григорий Владимирович, вы уже давно живете в Дубне. Но при этом родились в сибирском городе, сравнительно недалеко от Байкала. Это оставило какой-то след в вашей жизни?
— Мне, действительно, посчастливилось родиться в Братске, и я считаю себя сибиряком. И горжусь этим. Хотя жил в городе на Ангаре лишь первые пять лет. (Потом семья переехала на юг, в приморский Николаев).
Я был совсем маленький, но, как ни странно, очень много картинок осталось в памяти: поселок Энергетик, Братское море, сама ГЭС, тайга... И Ангару, конечно, помню...
У меня сохранилось какое-то особое чувство к сибирской могучести, которая присутствует во всем — в природе, в живущих здесь людях, в новых городах, в уникальных проектах...
— Вот как раз об одном из таких проектов и хотелось бы поговорить. Я имею в виду нейтринный телескоп, который должен помочь ученым понять особенности эволюции галактик и формирования черных дыр. Расскажите об этих исследованиях...
— Наш байкальский проект действительно уникальная установка в мировом масштабе и двумя словами тут не обойтись. Для начала стоит напомнить, что вспышки сверхновых, нейтронные звезды и активные ядра галактик, а также другие астрофизические объекты рождают миллиарды частиц, среди которых есть и те, которые называются «нейтрино». Их потоки с почти световой скоростью летят сквозь Вселенную, заполняя космическое пространство.
При этом для нейтрино нет никаких барьеров. Эти слабовзаимодействующие (а потому почти неуловимые) частицы способны пронизывать любые объекты. Ни планеты, ни звездное вещество им не помеха. Вот мы сейчас разговариваем, а в это время каждый квадратный сантиметр нашего тела пронизывает в секунду примерно пятьдесят тысяч нейтрино, и мы их даже не ощущаем. Хотя, есть-таки вероятность и того, что какие-то частицы провзаимодействуют с веществом и «остановятся» в среде, сквозь которую они летят, а значит их можно попытаться обнаружить!
Что еще интересно? Поскольку они долетают до нас из далеких уголков Вселенной, то они — невероятные долгожители. Например, чтобы прилететь к нам из самого центра нашей спиральной галактики Млечный путь, частицам необходима добрая сотня тысяч лет. Путь из соседних галактик и того дольше: до ближайшей (галактика Андромеды) — 2.5 миллиона световых лет, ну а до самых отдаленных — миллиарды световых лет. Представляете? Сквозь нашу планету мчится бесконечный поток нейтрино, которые были свидетелями рождения звездных скоплений и галактик, а может даже и первых этапов возникновения нашей Вселенной. И если мы научимся с ними «разговаривать», понимать их природу, каким-то образом считывать информацию, которую они несут, то сможем раскрыть многие тайны мироздания. И, прежде всего, расширить спектр знаний о тех объектах, которые их породили. Об огромных квазарах, о черных дырах, нейтронных звездах и многом другом.
— Для этого и понадобился нейтринный телескоп? Но почему он установлен в глубинах Байкала? При слове «телескоп» мы обычно представляем нечто совершенно иное...
— Это верно. Нейтринный телескоп совсем не похож на привычный нам «школьный телескоп» — оптическая труба с линзами, через которую сотни лет назад за небом наблюдали звездочеты. Наш телескоп состоит из гирлянд в нескольких сотен стеклянных сфер-детекторов, каждая из которых является сверхчувствительным фотоприемником и улавливает излучение от высокоэнергичных частиц.
Гирлянды детекторов собраны в кластеры и все вместе это похоже на гигантскую кристаллическую решетку, в вершинах (узлах) которой стеклянные оптические модули, а соединены они крепкими стальными канатами. Всего более 4000 тысяч узлов. Объем этой решетки — немногим меньше одного кубического километра, а размер — примерно 700 на 1000 метров. Вот и получается такой гигантский незаполненный кубик размером с Москва-Сити, погруженный почти на полтора километра в водную толщу озера Байкал.
Несметные потоки нейтрино несутся через всю Вселенную. Те, что летят из центра нашей галактики частично влетают в Землю со стороны Южного полюса, прошивают нашу планету насквозь и вылетают сквозь байкальские воды. Подавляющее большинство частиц исчезают «не попрощавшись». Но случается, что отдельные нейтрино взаимодействуют с атомами воды (ядра водорода и кислорода) и порождают в ходе ядерного взаимодействия заряженную частицу — мюон, которая обладает по сравнению с нейтрино на порядки большей массой. А потому, двигаясь с громадной скоростью в плотной водной среде воды, мюоны начинают излучать свет под углом, зависящим от их энергии. Это свет называется черенковским излучением — в честь советского ученого Павла Черенкова, нобелевского лауреата. Регистрируя его с помощью фотоприемников можно определить энергию и направление движения мюона, а значит и нейтрино, его породившего. И вот так нейтрино становятся «видимыми» для оптических детекторов нашего телескопа, который получает информацию об их параметрах и об источниках их происхождения.
Почему исследования проводятся именно на Байкале? Безусловно, для наших экспериментов важны и кристальная прозрачность воды, и уникальные размеры самого озера. Но главное даже не это, а постоянная температура воды, которая держится круглый год. Иначе говоря — термостабильность.
Из архива фотографий Объединенного института ядерных исследований (Дубна)
— Но ведь американские ученые помещают свой телескоп не в пучины вод, а используют глубинные льды Антарктиды. Это потому что у них нет своего Байкала?
— С нейтринным телескопом «Ледяной куб» в Антарктиде, которым дирижируют американские ученые, мы взаимодополняющие друг друга мегаустановки. Их телескоп — это такая же оптическая решетка объемом пока больше нашего — один кубический километр. Но расположена она не в воде, а вморожена в лед. Американцы регистрируют нейтрино, которые прилетают к Земле со стороны Северного полюса, а вылетают в районе Южного полюса.
Они начали работать раньше и набрали уже больше событий, но у нас есть ряд преимуществ. Мы растем в объеме быстрее, точность сибирского эксперимента в несколько раз выше, чем во льдах, поскольку термостабильность байкальских вод дает постоянную и хорошую прозрачность. Кроме того, на границе между слоями льда создаются различные преломления, которые тоже ухудшают качество разрешения обсерватории.
Работа нейтринного телескопа — это сложнейший процесс, который находится лишь в самой начальной стадии. Он, кстати, требует огромных вычислительных ресурсов и хранилищ данных, ну и конечно поразительной синхронизации всей электроники. Еще лет десять назад у человечества не было такой возможности. Сейчас за год мы фиксируем примерно до 10-15 нейтрино. И каждое из них — это научное открытие. Поймать нейтрино астрофизической природы — это, как для обычного человека... Ну, не знаю... как покорить Эверест.
А еще, кстати, бывают так называемые геологические нейтрино (геонейтрино) — они рождаются в радиоактивных распадах земной литосферы и внутренней толщи. Мы умеем и их детектировать — значит, улавливать связь между спектром геонейтрино и сейсмической активностью Земли, а это может в перспективе дать возможность прогнозировать землетрясения.
— Сейчас представления о развитии науки очень противоречивы. Одни эксперты считают, что она до сих развивается фантастически быстро, другие утверждают, что в последнее время наступил период стагнации, и поток грандиозных открытий иссяк. А то, что проявляется, это лишь доработанное и доведенное до ума наследие полувековой давности. Кто тут ближе к истине?
— Я не думаю, что сейчас наука в тупике, что эпоха великих открытий завершена. Конечно же, нет. Мы живем в быстро меняющемся мире, просто даже не успеваем фиксировать бурно возникающие новые возможности.
Примерно полвека назад, в эпоху расцвета ядерной физики, несколько гениальных ученых из разных стран, относительно независимо друг от друга сформулировали порядка двадцать пять фундаментальных вопросов в физике. Они касались гравитации и света, новых измерений, происхождения Вселенной, природы времени, соотношения вещества и антивещества во Вселенной, темной материи и темной энергии, фазовых превращений и экстремальных состояний материи, иерархии элементарных частиц и пр.
Так вот, мы продвинулись всего процентов на 10-15 в понимании этих проблем. И даже эти новые знания уже привели к грандиозным технологическим преобразованиям: квантовые технологии, ядерная и термоядерная энергетика, новые материалы с фантастическими свойствами. Но сколько еще вопросов остается... Искать ответы на эти вопросы ученым предстоит уже в обозримом будущем.
Так что можно не переживать — никакого кризиса нет.
Справка:
Григорий Трубников, российский физик-экспериментатор, академик РАН
Родился 17 апреля 1976 года в городе Братске (Иркутская область). В 1998 году окончил Липецкий государственный технический университет, а затем физфак МГУ. Еще студентом начал работать стажером в Объединенном институте ядерных исследований. После университета прошел путь от младшего научного сотрудника до директора института.
В 2016 году Григория Трубникова избрали действительным членом Российской академии наук. Спустя год после этого он принял предложение стать одним из руководителей Министерства науки и высшего образования России, а в 2018 году был назначен Первым заместителем министра. Объединенный институт ядерных исследований возглавил 1 января 2021 года.
Григорий Трубников — почетный профессор МГУ, лауреат премии правительства РФ в области науки и техники, а также Национальной премии «Вызов». Сфера его научных интересов — ядерная физика, физика ускорителей, коллайдеров и накопителей пучков заряженных частиц. Он является одним из руководителей мегасайенс-проекта NICA и автором порядка двухсот научных работ.
Григорий Владимирович женат, у него четверо детей.
