Беседы с учеными

Нейтрино нужно разговорить

На сайте газеты "Троицкий вариант - наука" и в бумажной версии 14 июля опубликовано интервью журналиста Яна Махонина (Чехия, ОИЯИ) с доктором физико-математических наук, заместителем директора по научной работе Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Дмитрием НАУМОВЫМ.

Почему нейтрино почти не взаимодействует с обычным веществом и прошивает насквозь миллиарды звезд? Могут ли нейтрино быть частицами загадочной темной материи? Какую информацию они нам сообщают об эволюции галактик и Вселенной? В чем польза от исследования нейтрино для "народного хозяйства"? Помогут ли детекторы нейтрино проконтролировать производство ядерного оружия? Когда будет достроена крупнейшая нейтринная обсерватория в Северном полушарии, расположенная на Байкале? И как поймать нейтрино, рожденные в недрах Земли?

В своем интервью Дмитрий Наумов рассказал чешскому журналисту не только о физике нейтрино, но и о своем жизненном пути, исследовательской и административной деятельности и о том, как Институт выжил в девяностые годы и как функционирует сейчас.

Роль нейтрино в эволюции Вселенной и галактик

Сегодня изучение свойств нейтрино является одним из ключевых направлений исследований физики частиц. Почему?

Гипотеза о существовании нейтрино была предложена Вольфгангом Паули в 1930-е годы для того, чтобы спасти закон сохранения энергии. Нейтрино выступило на сцену как спаситель этой важнейшей концепции в науке. Позже, когда нейтрино открыли и когда изучили некоторые его свойства, было обнаружено, что физика нейтрино в нашем мире и в "кэрролловском зазеркалье" сильно различается. Это натолкнуло создателей Стандартной модели на идею ее правильного построения. С тех пор прошло уже порядка 50 лет, и физики понимают, что, несмотря на успешность Стандартной модели, остаются две загадки: темная энергия и темная материя. Необходима новая теория. И сейчас надеются, что если мы сможем аккуратно измерить все свойства нейтрино, то оно снова укажет нам путь, на этот раз за пределы Стандартной модели.

Что мы знаем на данный момент о роли нейтрино в эволюции Вселенной?

В эволюции нашей Вселенной нейтрино играет довольно серьезную роль. Например, после Большого взрыва, считающегося рождением Вселенной, в первые доли секунды нейтрино вместе с фотонами, электронами, протонами, нейтронами и т. д. образовали "горячий суп" из частиц. Если бы число типов нейтрино в газе было другим, то у этого газа были бы несколько другие свойства, и это привело бы к несколько другой эволюции Вселенной. Нам известно, что масса нейтрино составляет не более одного электронвольта (эВ). Если бы, скажем, масса нейтрино была 50 эВ, то наша Вселенная уже давно сколлапсировала бы обратно в точку, в так называемую сингулярность.

Какую роль играет нейтрино в возникновении галактик? Претендует ли оно на роль частиц темной материи?

Согласно современным представлениям, галактики не могли образовываться самостоятельно. Звезды находятся слишком далеко друг от друга, чтобы объединиться в галактику. Возможным решением проблемы является гипотеза темной материи, заполняющей пространство между звездами и усиливающей действие гравитационного поля. Нейтрино по-прежнему играет роль возможного кандидата на роль темной материи. И снова все зависит от того, какие у нейтрино свойства и масса. Если бы масса нейтрино была слишком маленькая, то такая темная материя приводила бы, наоборот, к тому, что никакие галактики не могли бы образоваться. Если масса нейтрино потяжелее, они могли бы играть роль темной материи.

Можете ли вы привести такой пример важности нейтрино, который касался бы непосредственно нас всех?

Рассмотрим наше Солнце. Если бы нейтрино не существовали, то Солнце бы вообще не горело. Самая первая реакция, благодаря которой Солнце зажигается, - это когда два протона сливаются друг с другом, превращаются в дейтрон, позитрон и нейтрино. Без нейтрино такой реакции не было бы, Солнце не горело бы и, соответственно, не было бы жизни на Земле.

Исследуя нейтрино сверхвысоких энергий, сможем ли мы понять, что было с нашей планетой и с нашей Галактикой в момент их возникновения?

К ответу на этот вопрос стремится, например, эксперимент Baikal-GVD, который исследует нейтрино с очень большими энергиями. Оказывается, когда образуются галактики, в их центре практически всегда возникает черная дыра. Сначала она небольшая, но постепенно начинает пожирать вещество вокруг и разрастается до миллионов масс нашего Солнца, иногда даже до миллиардов. То есть заметная доля массы всей галактики может сидеть в одной черной дыре.

Эта черная дыра пожирает вещество звезд вокруг себя, постоянно увеличиваясь в размерах. Вещество от этих звезд закручивается вокруг черной дыры, образуя аккреционный диск, нагревается и ярко светится. Это красивое и драматическое явление. Сама черная дыра, конечно, не может излучать свет, но благодаря этому светящемуся газу она становится одним из самых ярких объектов во Вселенной. Газ закручивается в определенной плоскости, и в направлении, перпендикулярном этой плоскости, черная дыра иногда выбрасывает мощную струю газа, которую не смогла "переварить". В этой струе возникает самый мощный ускоритель, который существует во Вселенной. Он ускоряет частицы до совершенно безумных энергий. В том числе там возникают такие прозаические для земных ускорителей частицы, как пионы, каоны и другие, которые ускоряются и при своих распадах частенько дают нейтрино. Мы на Земле такие ускорители построить не можем.

Скопление галактик Abell 2744 (скопление Пандоры). Распределение массы: галактики - около 5%, газ - около 20% (условно красного цвета, на самом деле он испускает рентгеновское излучение), невидимая темная материя - около 75% (условно синего цвета, на самом деле обнаружена с помощью гравитационного линзирования). "Википедия"

Кроме того, для нас важно слабое взаимодействие нейтрино. Если выстроить миллиард солнц по порядку, одно за другим, нейтрино с энергией 1 млн эВ, пролетая сквозь этот строй, провзаимодействует с веществом всего один раз. Так что оно без проблем покидает область черной дыры, проходит через половину Вселенной и может прийти к нам и принести информацию о том, как и где оно родилось. По пути оно не отклоняется ни электромагнитными, ни гравитационными взаимодействиями.

Значит, нам больше не нужен обычный телескоп? Мы можем читать информацию о галактиках прямо с помощью нейтрино?

Есть такие места во Вселенной, про которые мы не сможем надежно ничего сказать без регистрации нейтринного сигнала оттуда. Нейтринная астрономия возможна при условии, что мы на Земле сможем аккуратно установить, откуда к нам пришло нейтрино. А сделать мы это можем потому, что у нейтрино очень большая энергия, и все частицы, которые оно рождает, когда взаимодействует в детекторе, будут лететь строго в том же направлении, откуда нейтрино само пришло. Например, наш байкальский телескоп Baikal-GVD регистрирует черенковское излучение, которое генерируют эти заряженные частицы, и может достаточно хорошо, с точностью лучше одного градуса, определить направление нейтрино. Однако рождение новой науки - нейтринной астрономии - не отменяет обычную астрономию с классическими телескопами, которые остаются лучшими приборами для менее труднодоступных мест во Вселенной.

Физики-теоретики и физики-экспериментаторы

Исследование нейтрино развивается на перекрестке физики частиц, космологии и астрофизики. В ОИЯИ применяется междисциплинарный подход?

В ОИЯИ пока мало астрономов или космологов, которые бы занимались исследованием нейтрино. Но мы работаем в большой международной команде, и конечно, есть коллеги-астрофизики, которые используют наши результаты. В итоге нам не так уж важно, где числится или работает человек. Все эти результаты мгновенно становятся известны, и, действительно, очень важно, что работа ведется в такой междисциплинарной области. Это значит, что результаты, которые мы получаем, изучая нейтрино, переосмысливаются в более глобальном контексте. Это, к примеру, позволяет понять, что происходило во Вселенной в целом, как образовывались галактики, какие механизмы приводили к тому, что возникали активные галактические ядра, как нейтрино проходит через плотное вещество. То есть при помощи этих сверхэнергичных нейтрино мы фактически восстанавливаем прошлое, заглядываем примерно на 4-5 млрд лет назад и восстанавливаем тогдашнюю ситуацию.

В исследованиях нейтрино вы с коллегами придерживаетесь какой-нибудь конкретной теории Новой физики?

Нет. В этом смысле экспериментальная физика хороша тем, что мы просто получаем экспериментальный результат, а потом теоретики в рамках разных теорий или моделей пытаются этот результат проверить и осмыслить, определить, вписывается ли он в ту или иную теорию или нет. На прецизионное измерение тонких свойств нейтрино нацелен, например, международный проект JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory). Это как раз тот самый путь к Новой физике. JUNO уже рутинным образом будет использовать явление нейтринных осцилляций для исследования свойств нейтрино. Важнейшую роль в установлении самого явления нейтринных осцилляций сыграл эксперимент Daya Bay. За это, кстати, многие участники коллаборации Daya Bay были удостоены самой крупной премии в науке - "Прорыв в фундаментальной физике" за 2016 год. Оба этих эксперимента проводятся с ядерными реакторами в Китае, и в обоих принимают активное участие ученые ОИЯИ.

Как вы взаимодействуете с физиками-теоретиками? Чешско-французский физик Франтишек Легар, работавший в 1960-е годы в ОИЯИ, делил их на более и менее "полезных" для физиков-экспериментаторов. Вы бы с ним согласились?

Вообще, разделение на теоретиков и экспериментаторов для меня лично достаточно условное. Более правильно говорить - хороший и плохой физик. Потому что, когда кто-то говорит: "Я экспериментатор, я формулы писать не умею" и вообще не знает, как интерпретировать то, чем он занимается, его заключения для меня не имеют большого значения. И точно так же, когда теоретик говорит: "Я не представляю, как измерить то, что я посчитал", - это означает, что он не разобрался в явлении. По-моему, если человек понимает физику, он способен объяснить ее на пальцах любому, включая ребенка, и он может предложить метод измерения, пускай самый простой, и понять, как интерпретировать результаты этого измерения. Кто-то лучше пишет формулы, кто-то лучше работает с приборами, но хорошие физики всегда находят общий язык.

Античные философы полагали, что можно чисто умозрительно, без эксперимента, понять, как устроена Вселенная. Позже, уже во времена Галилея, ученые осознали, что единственный верный путь - ставить эксперименты. Хорошая теория должна быть способна объяснить не только старый, накопленный материал, но и новый. Наша конечная цель - получить правильную картину физического явления. Современные эксперименты уже, как правило, настолько сложны, что все то, что мы наблюдаем, всегда нуждается в теоретическом описании. Нельзя, например, сказать, что мы в каком-то эксперименте "увидели" бозон Хиггса. На самом деле мы реконструируем очень косвенные характеристики определенного явления. Мы смотрим на следы, которые оно оставляет.

Точно так же, только еще сложнее, обстоят дела и в астрофизике. Проект Baikal-GVD позволяет нам рассматривать сигналы из оптических модулей. Затем в рамках теоретической модели, которая основана на том, что существует черенковское излучение, мы пытаемся реконструировать направление прилета той или иной частицы. Дальше вместе с теоретиками мы должны понять, где ее источник, какие механизмы могли бы приводить к рождению этих высокоэнергетических нейтрино и так далее. Без теоретиков и теоретического осмысления невозможно получить настоящий результат.

(Продолжение следует.)