«Без нейтрино звезды бы не горели»

Глубоководный мегасайенс: нейтринный телескоп помогает изучать устройство Вселенной

В Год науки и технологий на Байкале была запущена нейтринная обсерватория Baikal-GVD — проект класса «мегасайенс». По мнению экспертов, нейтринная тематика с каждым годом набирает обороты и станет важной составляющей научной программы 2022 года, объявленного ООН Годом фундаментальных наук. О важности подобных экспериментов, международных коллаборациях и успехах российских ученых «Вестнику атомпрома» рассказывает научный руководитель Объединенного института ядерных исследований в Дубне Виктор Матвеев.

— Мощный виток в развитии нейтринной тематики в нашей стране начался в 1970 году, когда по инициативе Академии наук и решению правительства был образован Институт ядерных исследований (ИЯИ) АН СССР. Институт создали на базе трех лабораторий Физического института АН СССР: лаборатории атомного ядра во главе с академиком Франком, лаборатории фотоядерных реакций и лаборатории «Нейтрино». Я стал заместителем директора по науке ИЯИ. Научная программа института предполагала, во-первых, строительство технологически нового сильноточного линейного ускорителя протонов и отрицательных ионов водорода для исследований высоких интенсивностей. А во-вторых, создание лаборатории нейтринной астрофизики. Нейтрино — это особая частица, которая очень слабо взаимодействует с веществом, ее очень трудно найти, но она играет огромную роль во всей физике элементарных частиц.

Вот выйдете ночью на улицу, посмотрите на звезды — каждая звезда это такая «печурка», где происходит горение вещества и превращение легких элементов в тяжелые. И нейтрино при этом играет огромную роль, без нейтрино звезды бы не горели. Это единственная частица, которая позволяет звезде не перегреваться слишком быстро при гравитационном сжатии и дает ей возможность достаточно долго гореть, вынося энергию из ее глубин наружу. Никакая другая частица на такое не способна. Если бы не было нейтрино, звезда бы быстро взорвалась, и у нас не было бы тяжелых элементов в космосе. Не было бы Земли, Солнца и других планет и звезд.

Из глубин космоса

Почти все наши знания о космосе базируются на информации, полученной с помощью телескопов и астрономических приборов, которые детектируют электромагнитное, оптическое и радиоизлучение. А нейтрино способно нести информацию из глубин космоса с гораздо более дальних расстояний и с более ранних времен. Поэтому если создать приборы, которые способны детектировать нейтрино так, как мы детектируем фотоны или гамма-кванты, можно узнать о вселенной намного больше. Однако для этого приходится создавать очень крупномасштабные детекторы частиц, которые получили название телескопов. Их сооружением и занялся ИЯИ.

Для того чтобы изучать нейтрино и создавать приборы нейтринной астрофизики, нужно научиться использовать в качестве составляющих детектора саму Землю, горные массивы или большие объемы воды. Чтобы суметь зафиксировать нейтрино, пришедшие из космоса, нужно защититься от излучения космических лучей и заряженных частиц, ослепляющих детекторы. Для этого нужно детектировать нейтрино, пришедшие с другого конца земного шара. Если детектор располагается в Южном полушарии, то ловит частицы, пришедшие с Северного. Земля в таком случае служит фильтром, отсекающим ненужные частицы, — насквозь Землю могут пройти только нейтрино.

В горах, льдах и морях

Одним из наших проектов была Баксанская нейтринная обсерватория и подземный нейтринный телескоп на Северном Кавказе в Баксанском ущелье. Это очень крупный научный комплекс и сложнейшая научная установка, расположенная прямо внутри горного массива — в горе Андырчи с очень крутыми склонами. В горе удалось пробить две длинные штольни, идущие параллельно друг другу. От их устья можно было пройти 4 км и получить над головой почти 2 км горной породы. Обсерватория включает в себя несколько установок: сцинтилляторный телескоп, галлий-германиевый нейтринный телескоп, мюонный детектор и другие. А несколько лет назад там начался эксперимент по обнаружению стерильных нейтрино (речь про эксперимент BEST, который начался в 2019 году. — Прим. ред.). В мире сейчас действуют только две подземные нейтринные обсерватории. Вторая — в Апеннинских горах в Италии.

Еще одна разновидность нейтринных установок — глубоколедные или глубоководные телескопы. Их в мире всего три. Первый — международный проект IceCube в Антарктиде. Он расположен в толще льда, в котором на большой глубине располагаются «нити» с оптическими детекторами. В качестве радиатора черенковского излучения используется 1 квадратный километр льда. Так как IceCube расположен на Южном полюсе, он обнаруживает нейтрино, приходящие с северной полусферы неба.

Другой подобный эксперимент — ANTARES в Средиземном море, в 40 км от берегов Франции. Это коллаборация ученых из европейских стран. Участвуют в эксперименте и российские физики, например, ученые из МГУ. ANTARES представляет собой несколько вертикальных нитей, закрепленных одним концом на дне моря, а другим — прикрепленных к буям. На каждом таком элементе — десятки оптических модулей (детекторов). Сложность работы с таким оборудованием в том, что его нужно погружать в море с борта судна, которое подвержено волнениям поверхности воды. К тому же в Средиземном море богатая биологическая жизнь, а рыбы и планктон снижают чувствительность детекторов. Поэтому нужны особые фотоприемники с высоким разрешением.

Под водами Байкала

Гораздо удобнее в этом плане устроен нейтринный телескоп Baikal-GVD, созданный ОИЯИ на Байкале. На полтора километра вглубь озера опущены гигантские, похожие на гирлянды стринги с закрепленными на них фотоприемниками. Сейчас телескоп состоит из 8 кластеров по 8 стринг в каждом. В озере нет фоновых помех и биолюминесценции, которые могли бы мешать правильной работе детектора, а работать и опускать оборудование можно прямо со льда: в марте-апреле он достигает максимальной толщины — более 1 метра. Очень удобно и незатратно. Это чисто российская способность — найти надежное и дешевое решение.

Уникальность этой нейтринной обсерватории в том, что она может регистрировать потоки нейтрино сверхвысоких энергий — около 100 ТэВ. Эксперимент Baikal-GVD создается объединением ученых Дубны, РАН (в частности, Институтом ядерных исследований) и нашими партнерами из Германии, Чехии, Румынии и Польши.

Когда мы только начинали создание этой установки, было очень важно убедить правительство, экологов и зеленых в том, что наш телескоп не только никак не навредит Байкалу, а, наоборот, поможет в мониторинге его состояния. Детекторы, которые физики погружают в озеро, настолько чувствительны, что видят то, что обычные приборы не видят. Ученым, которые изучают озера, лимнологам, Baikal-GVD дал возможность наблюдать за поведением больших объемов воды, а также за любыми, даже самыми мельчайшими примесями и загрязнениями, которые невозможно детектировать обычными приборами. Так что байкальский детектор — еще и лучший монитор чистоты всей юго-западной части Байкала.