Горизонты научного поиска

Первые шаги нейтринной астрофизики

Со 2 по 4 октября впервые в Дубне работало Международное рабочее совещание по нейтринным телескопам очень большого объема VLVnT-2018. Это регулярная встреча специалистов в области нейтринной и многоканальной астрономии, оборудования для современных и будущих крупномасштабных детекторов в воде и во льду. В Дубне встретились более 120 специалистов из научных центров Бельгии, Германии, Голландии, Италии, Китая, Новой Зеландии, России, США, Франции, Чехии, Швеции, Японии и ОИЯИ. Темы обсуждения - астрофизика нейтрино высоких энергий, методические аспекты и оборудование нейтринных телескопов Antares, Baikal-GVD, IceCube, Km3NeT, осцилляции нейтрино, исследования окружающей среды с помощью нейтрино и другие вопросы.

Член оргкомитета конференции профессор Кристиан Шпиринг (DESY, Германия) хорошо говорит по-русски. Первым делом я спросила профессора, откуда он знает язык:

- Я работал в ОИЯИ с 1974 по 1978 годы, но занимался совсем не нейтринной физикой. Хотя кабинет Бруно Понтекорво был недалеко от нашей комнаты, и я его видел почти каждый день. Мы строили стримерную камеру для эксперимента РИСК в Протвино, это была чистая адронная физика. А нейтринной астрофизикой я начал заниматься в 1988 годy. K Байкальской коллаборации присоединился не как сотрудник DESY, а еще института Академии наук ГДР. В середине 1990-х мы параллельно вошли в нейтринный проект AMANDA на Южном полюсе, который предшествовал IceCube. Проект хорошо развивался. Я семь лет был европейским руководителем в коллаборации AMANDA и два года председателем коллаборации IceCube. А в DESY руководил группой астрофизики до момента моего выхода на пенсию в 2013 году. Незадолго до этого мы в IceCube увидели диффузный поток космических нейтрино, наше первое открытие случилось как подарок мне к выходу на пенсию!

Представители разных коллабораций по поиску нейтрино впервые собрались в Дубне, а вообще вы регулярно встречаетесь друг с другом?

Четыре года назад мы сформировали GNN (Всемирную нейтринную сеть), которая работает на разных уровнях взаимодействия. В ней происходит обмен методами, данными и так далее, каждые два года мы проводим внутреннюю конференцию для коллабораций Antares, KM3NeT, Baikal-GVD и IceCube, на которой обмениваемся новостями. Нынешняя конференция VLVnT - это немного другое, хотя главные участники те же, но мы пригласили сюда и других специалистов. В этом смысле это не рядовое рабочее совещание, а настоящая конференция. И в таком формате мы встречаемся уже в восьмой раз. Нам показалось, что раз Байкальский эксперимент так хорошо продвигается, то пора уже провести эту встречу в России.

Вы просто обмениваетесь данными или вырабатываете какую-то стратегию по поиску нейтрино?

Мы, конечно, ищем оптимальную стратегию: как достичь с помощью телескопов IceCube, Baikal-GVD и KM3NeT максимальную чувствительность на обоих небесных полушариях. Кроме того, мы учимся друг у друга: обмениваемся методами анализа и технологиями. Мы можем обобщать результаты всех экспериментов и их сравнивать. Например, коллаборация IceCube пять лет назад открыла поток диффузных высокоэнергетичных нейтрино. Это был настоящий прорыв, абсолютно ясно, что это открытие. Но оставались не ясны детали, например, насколько точным получился спектр или каков состав разных ароматов. Такие вещи надо проверять с помощью экспериментов, в которых совсем другая систематика: измерить во льду или в воде, где меньше рассеяние света, другая глубина, очень важно уточнить, какие результаты совпадают с результатами, полученными на других детекторах

С другой стороны, мы в каком-то смысле астрономы и не можем изучать только одну часть небесной сферы. Тем более что те детекторы, которые строятся в Северном полушарии, - Baikal-GVD и KM3NeT - лучше видят центр галактики. Это главные аргументы для совместной работы - получение полной информации. Мы сейчас объединяем данные работающего в Средиземном море детектора Antares с данными IceCube.

Остальные коллаборации в докладах на конференции не представили таких же ярких результатов, как у IceCube?

Нет. Детектор Antares настолько меньше, чем IceCube, что на нем еле-еле виден тот избыток при высоких энергиях, который мы увидели пять лет назад. Одного этого наблюдения мало, но ситуация скоро изменится - с полным вводом в строй детектора Baikal-GVD.

Что действительно нового по сравнению с ситуацией пятилетней давности - мы пять лет назад видели просто диффузный поток космических, то есть явно не атмосферных нейтрино. Мы каждый год регистрируем 100 тысяч атмосферных нейтрино, но ищем избыток при очень высоких энергиях, который не может быть сгенерирован в атмосфере. Событий с такими нейтрино мы нашли около 100, но, к сожалению, мы их не смогли связать ни с одним известным космическим источником. Все изменилось 22 сентября прошлого года: мы увидели одно нейтрино, прилетевшее к нам от так называемого блазара, активной галактики, пучок которой смотрит прямо на Землю. И астрономы, регистрирующие гамма-кванты, рентгеновское излучение и работающие в оптическом диапазоне, изучили эту область и увидели источник, в котором зафиксировали взрыв. Потом мы проверили старые данные и увидели, что именно от этого источника мы и раньше регистрировали нечто, само по себе не очень статистически значимое. Комбинированная достоверность этих двух наблюдений составляет около четырех стандартных отклонений. Свой результат мы опубликовали только в июле этого года. Это событие оказалось в центре многих докладов пленарных заседаний и параллельных секций нашей конференции, в которых обсуждают, насколько это совпадает с астрономическими моделями или противоречит им.

Есть несколько докладов от проекта Baikal...

Baikal - это удивительнaя коллаборация, если смотреть на количество участников. В IceCube или KM3NeT работают по 300-400 человек, в вашем проекте - 50. И они заняты на всех стадиях: подготовки экспедиции, монтажа детектора, анализа данных и еще всего остального. Все-таки сейчас они уже создали самый большой детектор в Северном полушарии, в это пять лет назад никто не верил. Это на самом деле фантастика.

Теперь ждем результатов...

Да, но не все сразу: вы устанавливаете новый фрагмент детектора, его нужно откалибровать, устранить какие-то ошибки, а тут приходит новый сезон и опять - установка следующего кластера, калибровка и так далее. На этой конференции мы увидели в их докладах первые нейтринные события, первый высокоэнергетичный каскад, который согласуется с космическим сигналом, который мы видели на IceCube, так что результаты уже появляются.

В программе заявлены несколько докладов физиков из Протвино. Они участвуют в нейтринных исследованиях?

Нет, сейчас там нейтринную физику не развивают, но они хотят проводить эти исследования. Юрген Бруннер из Марселя и Александр Зайцев из Протвино здесь изложили идею передачи пучка нейтрино из Протвино во французский Тулон, где расположена одна часть детектора KM3NeT. С помощью этого пучка можно будет заняться другим направлением - изучать свойства нейтрино, упорядочить массы нейтрино, исследовать нарушение CP-равенства в нейтринном секторе. Это очень интересный, но и дорогой проект. Тем не менее, я думаю, он получится дешевле, чем аналогичный, который планируют реализовать в США.

Можно ли прогнозировать в этой области новые яркие события или только и делать, что накапливать данные и обрабатывать их, согласовывать с другими коллаборациями изучение интересных моментов?

Мы уже открыли новое окно в космос - нейтринную астрофизику. Это, действительно, новое окно, и теперь нужно искать отдельные космические источники нейтрино - как тот блазар, который мы увидели в IceCube сейчас и четыре года назад. Это можно назвать началом нейтринной физики высоких энергий. Пусть это первые шаги на пути открытия неизвестной земли. То ли, действительно, надо накопить много статистики и что-то в ней увидеть, то ли это будет какое-то событие, например, взрыв сверхновой, когда все астрономы "смотрят" в одну точку Вселенной всеми доступными средствами и в результате складывается единая картина события. Подход, объединяющий вместе с нами специалистов в области гамма-квантов, рентгеновского излучения и других, наверное, самый многообещающий. К нему скоро присоединятся детекторы Северного полушария Baikal-GVD и KM3NeT.

Как изучение нейтрино может помочь в изучении темной материи?

Изучение темной материи основывается на WIMPs (weakly interacting massive particles - слабо взаимодействующие массивные частицы), которые должны накапливаться в центре Солнца. Когда их накопилось достаточно, они могут взаимодействовать и аннигилировать с образованием вторичных частиц, среди которых будут и нейтрино. И только нейтрино могут вылететь из центра Солнца. Мы ищем как раз избыток высокоэнергетичных, от гэвных до тэвных, нейтрино, в отличие от обычных солнечных, мэвных энергий. Пока мы никакого избытка не увидели. Но даже когда мы чего-то не видим, это тоже результат, позволяющий нам исключить некоторые модели.

Профессор Ульрих Кац (Университет Эрлангена, Германия) сменил Кристиана Шпиринга на посту координатора всемирной сети GNN:

- Эти конференции мы начали в 2003 году и нынешняя уже восьмая. С самого начала главной нашей целью было увидеть астрофизические нейтрино высоких энергий, и в 2013 году мы их увидели. Однако в будущем есть еще над чем поработать, чтобы уверенно сказать, что мы открыли эту новую область. Мы регистрируем эти нейтрино, чтобы понимать, как происходят высокоэнергетичные процессы во Вселенной. Наши усилия направлены на изучение космических заряженных частиц, энергия которых на несколько миллионов электрон-вольт выше, чем мы можем создать на ускорителях, про эти частицы мы не знаем точно, откуда они пришли. Нейтрино, поскольку они нейтральные, могут помочь нам в этом. Второе направление - сама нейтринная физика. Б. Понтекорво предложил гипотезу существования нейтринных осцилляций, и теперь мы знаем, что они существуют, но многих деталей этих осцилляций мы все еще не понимаем.

Я присутствовала на двух заседаниях и заметила большую активность участников: буквально после каждого выступления возникают вопросы и обсуждения.

Да, мы не просто делаем доклады, но общаемся друг с другом, а также с представителями тех фирм, которые создают для наших проектов фотоумножители, кабели и другое. А с учеными из ОИЯИ у меня и раньше было много контактов, но не в Дубне, сюда я приехал впервые.

Руководитель нейтринного проекта Baikal-GVD член-корреспондент РАН Г.В.Домогацкий (ИЯИ РАН, на фото слева):

- Мы сейчас находимся в очень симпатичном периоде развития совершенно нового, чрезвычайно интересного и перспективного направления multi messenger astronomy, астрономии многих носителей, когда информация от объекта получается и с помощью гравитационных волн, и с помощью регистрации электромагнитного излучения, и с помощью регистрации нейтрино. Если говорить о Байкальском проекте, то он находится тоже на очень симпатичной стадии. Это еще не тот детектор, который мы хотим иметь, но весь этот год работали уже три кластера. А три кластера - это значительная часть того, что мы хотели бы иметь к 2020-2021 году. И возможности этой небольшой установки, тем не менее, такие, что она может начинать участвовать в той активной деятельности, которой все в мире бурно занимаются. Деятельности, которая дает первые хорошие результаты, о которых, наверное, говорил в своем интервью К.Шпиринг. И у нас появились первые результаты, которые уже можно обсуждать, и сегодня мы здесь с Виктором Анатольевичем Матвеевым их обсуждали.

Проект становится интересным: это не только работа по созданию детектора, но теперь есть данные, есть возможность что-то анализировать, и это уже действительно интересно. Общий обзор на конференции сделан в докладе Владимира Айнутдинова (ИЯИ), а первые результаты представит Жан-Арыс Джилкибаев (ИЯИ). Если говорить вообще о развитии проекта, то в этом году в зимнюю экспедицию, если все сложится хорошо, будет лед, будет погода, мы попытаемся взять рубеж постановки и развертывания на Байкале двух кластеров за экспедицию. Это не только постановка аппаратуры на льду озера, но и прокладка к ним двух линий оптоволоконной связи по дну - с берега до установки. Такой рубеж мы раньше никогда не осваивали. Все это должно значительно увеличить эффективный объем детектора.

Если задуманное удастся реализовать этой зимой, то эффективный объем установки мы доведем до 0,25 кубического километра. В любом случае, уже действующий детектор вполне дает возможность начать очень интересную деятельность по участию в анализе данных. А чем больше проходит времени, тем больше ощущается необходимость в анализе данных для понимания событий. Нужен детектор, который бы работал в Северном полушарии. В нашем проекте сейчас такая фаза, когда мы, пусть еще не так, как бы хотелось, в полном объеме, но уже стали тем детектором, который работает в Северном полушарии. KM3NeT тоже имеет амбициозные планы, но пока, судя по прозвучавшему только что докладу, это надежды на будущее. А у нас впереди новый рубеж: сумеем мы за зимнюю экспедицию поставить два новых кластера с двумя оптоволоконными линиями - тогда объем нашего детектора станет вполне "взрослым". Baikal-GVD должен стать тем партнером детектору IceCube на Южном полюсе, с помощью которого можно будет вести этот анализ. Сейчас мы находимся на грани перехода во взрослое состояние.

Ольга ТАРАНТИНА,
перевод Кристиана ШПИРИНГА, фото Игоря ЛАПЕНКО