Загадочные вспышки на дне Байкала: российский нейтринный телескоп проникает в тайны Большого взрыва и черных дыр
Фото: Shutterstock.
Байкальский нейтринный телескоп зафиксировал нейтрино чрезвычайно высоких энергий, причем откуда-то из нашей Галактики. И это настоящая сенсация. Недаром статья об этом опубликована в авторитетнейшем журнале The Astrophysical Journal.
Что такое «нейтринный телескоп», почему ученые всех стран охотятся за этими неуловимыми частицами, и чем именно результат, полученный на Байкале, так важен для мировой науки? Об этом KP.RU рассказал директор НИИ прикладной физики Иркутского госуниверситета (эта организация – один из основных участников международной научной коллаборации Baikal-GVD, которая «курирует» телескоп), кандидат физико-математических наук Андрей Танаев.
ПРИЗРАКИ ВСЕЛЕННОЙ
Откроешь современный научный физический журнал, а там «нейтрино» едва ли не на каждой странице. Мы в школе учили, что это за частица такая, да забыли. Давайте освежим.
В 1930-е годы физики принялись наблюдать радиоактивные распады, и заметили странное. Энергия «до» распада оказывалась выше, чем «после». Куда девается? Чтобы не подвергать сомнению закон сохранения, предположили: энергию уносит какая-то частица. Массы у нее нет (как у фотона), и она не взаимодействует с веществом. Призрака назвали «нейтрино», то есть «нейтрончик».
Казалось бы, какая-то неведомая зверюшка, измысленная на бумаге, увидеть ее нельзя – мутят ученые! Но в 1956 году нейтрино обнаружили экспериментально. Много позже оказалось: есть у него и масса, маленькая только. А с веществом в самом деле почти не взаимодействует, Землю пронзает, как бумагу. Да что Землю, и сквозь Солнце пройдет. И все стало еще интереснее.
В самом деле. Если во Вселенной полно таких «призраков», которых мы (почти) не видим. Если эти частички переносят энергию, пронзают все… Это ведь полностью меняет наше понимание мира! Стали охотиться за космическими нейтрино.
Но как его поймать, если оно столь пронзающе? Оказалось, способ есть. Проходя через вещество, нейтрино нет-нет, да провзаимодействует. Может, одно на миллиард, или на триллион, но это случится.
ЧЕРЕНКОВ И ЕГО НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ
- Непосредственно нейтрино мы не видим, - объясняет Андрей Танаев, - так как эта частица электрически нейтральна. Но при взаимодействии с окружающим веществом нейтрино способно породить быстро движущуюся заряженную частичку мюон (своего рода тяжелый электрон) или даже целый каскад элементарных частиц.
Скорость движения мюонов и других частиц, рожденных нейтрино, оказывается выше скорости света в этой среде. Внимание опровергателям Эйнштейна: не выше скорости света в вакууме (быстрее его ничего нет), а только в этой среде. Вы же слышали из школьного курса физики, что свет замедляется в стекле, в воде – и вот вообразите: мюоны и другие ребята получили такой толчок, что побежали быстрее светового луча в этом конкретном веществе. Как показал в 1934 году советский физик, академик Павел Черенков (за что ему дали Нобелевку в 1958 голу), в таком случае мюоны и вообще все разогнанные субъекты слабо светятся. Это свечение называют черенковским.
- Его-то мы и наблюдаем с помощью фотодетекторов телескопа. Параметры этих вспышек, включая направление прихода, позволяют нам достаточно уверенно судить о параметрах нейтрино, - говорит Андрей Танаев.
В какой среде можно ловить нейтрино? Может, просто… вода? И не в бассейне (хотя есть и детекторы в бассейне), а на природе? На Байкале? Пусть вода священного озера сама и станет детектором!
Так в 1980 году появилась идея Байкальского нейтринного телескопа.
ЧЕРЕДА ПРОБЛЕМ
Итак, вроде бы суть проста. Поглубже, где всегда темно, надо разместить детекторы света. Очень чувствительные. Они заметят вспышки. А мы эти вспышки зафиксируем. Но гладко было на бумаге. А вдруг шторм? Сердит бывает Батюшка-Байкал. А если водный зверь кабель перегрызет? Водоросль облепит? Да мало ли что!
- Вся история создания Байкальского нейтринного телескопа, а она насчитывает уже более 40 лет, это история преодоления самых разных технических сложностей, - говорит Андрей Танаев.
Многое делалось в первый раз.
- Ученые плохо понимали, как и чем резать лед, как подо льдом по дну укладывать многокилометровые кабели, питающие телескоп энергией и возвращающие данные с подводных детекторов, как создавать прозрачные герметичные сферы для фотоумножителей. Простой электрический разъем, сохраняющий герметичность и функциональность на глубине 1,5 километра превращается в высокотехнологичное произведение искусства! – рассказывает ученый.
Ну и не забывайте, что рабочей средой телескопа является огромный объем воды живого озера. Течения, температурный профиль, прозрачность воды надо тщательно изучать.
- Эти исследования приводили к новым открытиям и новым вопросам. В процессе изучения глубины проникновения солнечного света в толщу озера было открыто собственное свечение байкальской воды, о природе которого до сих пор спорят, - продолжает Андрей Танаев.
Фото: baikalgvd.jinr.ru
ЦИФРЫ
1 кубического километра воды, то есть примерно гигатонну, будет «осматривать» Baikal-GVD к 2027-2028 годам.
Около 4700 оптических детекторов установлены сейчас под водой.
1300 м - глубина, на которой работает телескоп.
3600 м - расстояние от берега.
ТЕМНАЯ ГЛУБИНА
- Кстати, а достаточно ли темно на глубинах? – спрашиваю.
Оказалось, вполне:
- Даже в очень прозрачных океанических водах на глубине в 20 метров мы увидим лишь 10% света, попадающего на поверхность, на глубине же 100 метров – менее 1%. В пресноводных водоёмах, к каким относится озеро Байкал, светопотеря ещё сильнее. Оптические модули нашего телескопа, которые содержат фотоэлектронные умножители, располагаются на глубинах от 750 до 1350 метров, где, да, достаточно темно, - говорит Андрей Танаев.
Фото: baikalgvd.jinr.ru
- Андрей Борисович, а не фонит дно самого Байкала? Известно ведь, что граниты, например, фонят. Вот вам и черенковское излучение.
- Дно Байкала сформировано не вулканическими, а осадочными породами толщиной до 7 км, - объясняет Андрей Танаев, - Горы, которые окружают озеро, как и само побережье, пожалуй, фонят сильнее. Но даже их фон состоит из частиц с энергиями в тысячи раз меньше, чем те, что регистрируются фотодетекторами нейтринных телескопов.
Однако вопрос оказался не праздным: он позволил Андрею Борисовичу поделиться другой бедой:
- Нам мешает не фон вулканических пород, а атмосферные нейтрино, которые рождаются при взаимодействии высокоэнергичных космических лучей (протонов и ядер) с атмосферой, - говорит он.
Как их отбросить из статистики? Смотреть только на те частицы, что приходят… снизу. То есть они пронзили собой всю Землю. Никакая частица кроме нейтрино на такое не способна. Значит, мы точно имеем дело с нейтрино!
Фото: baikalgvd.jinr.ru
КОСМИЧЕСКИЙ МАСКАРАД
Мы говорили, что нейтрино слабо взаимодействует с веществом. Сейчас удивим, НАСКОЛЬКО слабо. В детекторе задействован миллиард тонн байкальской воды. За год телескоп ловит 10-15 штук высокоэнергечных астрофизических нейтрино. Вот так!
Про техническую сторону поговорили, не терпится теперь про тайны природы. Что рассказали эти 10-15 штук? Что раскрыли?
Для людей моего поколения, которые в юности читали популярные журналы, нейтрино ассоциируется с Солнцем. Ведь при ядерных реакциях на Солнце выделяется громадное число нейтрино. Однако, еще в 1970-е годы стало понятно: солнечных нейтрино очень мало. Где-то треть от должного. И пошли разговоры: Солнце светит не ядерным способом! Но поговорили, и как-то замолкли, и вот почему:
- Загадку решили, экспериментально подтвердив гипотезу осцилляций солнечных нейтрино, - говорит Андрей Танаев. - Это когда нейтрино разных видов (физики говорят – ароматов) периодически преобразуются друг в друга. Одновременно было доказано, что нейтрино обладает массой (безмассовые нейтрино не осциллируют). Авторы открытия осцилляций и массы нейтрино были удостоены Нобелевской премии.
Итак, солнечная физика устояла. А вот нейтрино оказались куда более загадочным. Они как тау-китяне из песни Владимира Высоцкого: внешность – обман, меняют облик. Пока летят, все время снимают-надевают маски. И вот такое, калейдоскопичное, прилетает к нам… не только же от Солнца. От звезд. От черных дыр. И да, это самое интересное.
- Мы регистрируем нейтрино высокой и сверхвысокой энергии, порожденные галактическими и внегалактическими источниками огромной мощности, - разъясняет Андрей Танаев. - Их энергия в миллиарды раз больше, чем у нейтрино, рожденного в Солнце.
ЭТО ЭНЕРГИЧНЫЙ ТАНЕЦ
А откуда такие нейтрино берутся, очень энергичные? Например, те, с которых мы начали наш рассказ, пойманные Байкальским телескопом за много лет, имеют энергии в тераэлектронвольты. Электрон-вольт – это излюбленная физиками единица энергии. Такую энергию приобретает электрон, пройдя между точками с разницей потенциалов в один вольт. Абстрактно? Ладно, я просто скажу, что это громадная энергия. Хотя чашку с водой вам такая энергия, конечно, не вскипятит и даже не нагреет. У микромира свое понятие о «громадной энергии».
- Мы до конца не понимаем механизм, который приводит к рождению таких нейтрино, - говорит Андрей Танаев, - Исследователи предлагают разные гипотезы, но все они требуют проверки. Напомню, физика – экспериментальная наука, и для физиков критерием истины является именно результат эксперимента.
Столь большие энергии элементарных частиц могут рождаться в результате самых мощных событий в космосе, которые были более характерны для молодой Вселенной с её молодыми галактиками с активным звездообразованием, объясняет физик.
- Нейтрино летит со скоростью очень большой, но меньшей, чем скорость света. Это значит, что, прилетев к нам на Землю издалека и засветив фотодетектор, оно одновременно рассказало о событиях из далекого прошлого. Изучая такие нейтрино, мы изучаем историю Вселенной, загадку ее происхождения и эволюции, - говорит Андрей Танаев.
Ранняя Вселенная – понятно, мало ли что там могло быть. Мы не знаем, а значит, предполагаем (почти) все, что угодно. Но ведь в статье в The Astrophysical Journal сказано: Байкальский телескоп нашел некие события прямо в нашей Галактике!
Байкальский нейтринный проект реализует большая научная коллаборация, она называется Baikal-GVD, рассказывает Андрей Танаев: в нее входят Институт ядерных исследований РАН, Объединенный институт ядерных исследований, Иркутский госуниверситет и многие другие. История с галактическими нейтрино началась с того, что в данных другого детектора, Ледяной Куб (IceCube) в Антарктиде участники коллаборации нашли заметное число энергичных нейтрино из нашей Галактики. Это побудило по-новому посмотреть на информацию с Байкальского телескопа.
- В данных 2018-23 годов обнаружились восемь нейтринных событий с энергиями, превышающими 200 ТэВ, с направлениями прихода из плоскости нашей Галактики. Это расходится с общепринятыми взглядами, и результаты исследования требуют серьезного пересмотра существующих теорий и моделей формирования нейтрино высоких энергий в Галактике, - считает Андрей Танаев.
К слову, об IceCube. Это детектор, где черенковский свет возникает не в воде, а в прозрачном льду. Ледяной Куб и байкальская вода, может, слегка конкурируют, но в целом работают в связке:
- IceCube начал работать раньше и набрал больше нейтринных событий. Мы, правда, растем быстрее. IceCube и Baikal-GVD, кстати, не столько конкурируют, сколько взаимодействуют дополняя друг друга. Мы ведь смотрим в разные стороны. IceCube смотрит на север, Baikal-GVD – на юг, в паре охватывая все небо, - продолжает Андрей Танаев.
В ОЖИДАНИИ ОТКРЫТИЙ
Хочется, чтобы Байкальский нейтринный телескоп что-нибудь перевернул. Большой взрыв опроверг, темную материю открыл. Но физика – не спорт быстрых. Проверить важнее, чем прокукарекать первым. Приборы сложные, эффекты тонкие, помехи сильные. Опозориться ничего не стоит.
Взять хотя бы темную материю: говорили ведь, что нейтрино – она и есть. А нет:
- Легкие частицы нейтрино не годятся на эту роль. Темная материя из них привела бы к формированию иной структуры Вселенной, нежели мы наблюдаем. Теоретически могут существовать какие-то тяжелые нейтрино, не наблюдаемые нами потому, что они не вступают даже в слабое взаимодействие (так называемые стерильные нейтрино). Поиск стерильных нейтрино ведется, но пока не дал результатов. Теоретические же исследования свойств темной материи из стерильных нейтрино не прекращаются, - говорит Андрей Танаев.
А с Большим взрывом еще разберемся. Найти бы те, первые нейтрино, которые он породил – реликтовый нейтринный фон. Он существует, рассказывает Андрей Танаев:
- По крайней мере, есть достаточно весомые доводы в пользу его существования. Делаются попытки доказать этот факт, в частности, в экспериментах по измерению плотности энергии излучения Вселенной.
В деле и черные дыры: в спектре первичных черных дыр, крошечных по космическим меркам, нейтрино должны быть, говорит физик.
Но в целом – пока тайна на тайне. Энергичные нейтрино есть, видимого источника нет. Как было бы здорово, если бы именно наш великий Байкал стал источником новой физики! А уверен, что так и будет. Место такое. Медитирующим там открываются тайны духа. А физикам откроются тайны материи. Дайте только срок.
КСТАТИ
Байкальский нейтринный телескоп - крупнейший нейтринный телескоп в Северном полушарии и один их трех действующих в мире, наряду с IceCube на Южном полюсе и KM3NeT в Средиземном море.
1980 год - начало проекта.
1993 год - детекторы впервые увидели нейтрино.
2015 год - под лед Байкала опущен первый кластер фотоприемников «Дубна» обновленного телескопа Baikal Gigaton Volume Detector (Baikal-GVD). Начался второй этап проекта.
2021 год - официально открыт телескоп Baikal-GVD в его современном виде.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ
Магнитная звезда-зомби вторглась в нашу Галактику: способна ли она уничтожить Землю
Магнитные бури с 12 по 18 мая 2025 года: долгожданная передышка
СЛУШАЙТЕ ТАКЖЕ
Жизнь в космосе: физик рассказал, как зарождается жизнь во Вселенной, как космические льды можно создать в земных условиях и как звучат кометы (подробнее)