На главную
Под землю за космосом: как поймать нейтрино

В глубине горы Андырчи в Приэльбрусье скрывается Баксанская нейтринная обсерватория. Ведущиеся тут исследования потенциально могут принести российским ученым Нобелевскую премию по физике. Научные установки обсерватории — уникальное наследие советской науки, сегодня ставшее объектом целевой поддержки со стороны государства.

Баксанская нейтринная обсерватория (БНО) расположена в живописном уголке России: в Баксанском ущелье (Кабардино - Балкария) недалеко от Эльбруса. Здесь высится гора Андырчи высотой более четырех километров. В недрах горы на глубине около двух тысяч метров смонтировано научное оборудование. К слову, это одна из самых глубоко расположенных научных лабораторий в мире.

Ученые не случайно буквально зарылись в землю. Толща грунта над головой защищает чувствительные детекторы от потока вездесущих космических лучей. Создаваемый ими радиационный фон тут более чем в десять миллионов раз ниже, чем на поверхности, а в специально защищенных помещениях в десятки тысяч раз снижена и компонента фона естественной радиоактивности. Это позволяет фиксировать главную цель наблюдений: поток нейтрино.

Нейтрино: маленькие и вездесущие

Нейтрино — это чрезвычайно легкая элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Эти частицы вездесущи. Они рождаются в процессе термоядерного синтеза в недрах звезд и при распаде радиоактивных элементов в глубинах нашей планеты. В окрестностях сверхмассивных черных дыр в ядрах далеких галактик и в верхних слоях атмосферы Земли. В исследовательских ускорителях и реакторах атомных электростанций.

Одно только Солнце рождает столько нейтрино, что каждый квадратный сантиметр земной поверхности вместе с ее обитателями ежесекундно пронзается десятками миллиардов этих частиц. К счастью, нейтрино почти не взаимодействуют с веществом. Пронзая насквозь не только наши тела, но и земной шар, эти частицы не оказывают на него никакого влияния.

Лишь ничтожная доля нейтрино сталкивается с ядрами атомов и вызывает ядерные реакции. Детекторы Баксанской обсерватории тщательно фиксируют эти редчайшие события, чтобы измерить количество нейтрино и энергию этих частиц. Есть множество причин, по которым ученым интересна эта частица. Например, солнечные нейтрино могут многое рассказать о строении Солнца. Рождаясь в самом его центре, они беспрепятственно проскальзывают в космос. Таким образом, нейтрино обеспечивают ученых информацией из первых рук о том, что происходит в центре звезды, дающей жизнь всему живому.

«Поток, который мы измеряем, идет непосредственно из ядра Солнца. Если там случится что-то неладное, например, замедление или интенсификация термоядерных реакций, благодаря нейтрино мы это сразу увидим, а на поверхности звезды это явление отразится через несколько десятков тысяч лет. В принципе, это достаточное время, чтобы подготовиться», — рассказывает заведующий обсерваторией доктор физико-математических наук Валерий Васильевич Кузьминов.

Нейтрино также рассказывают астрономам о подробностях вспышек сверхновых и поведения черных дыр.

Изучение нейтрино важно и для того, чтобы проникнуть в самые глубокие тайны материи, в законы, управляющие жизнью элементарных частиц.

У этих исследований есть и практическая составляющая. Так, нейтрино дают информацию о протекании термоядерных реакций. А именно такие реакторы в перспективе смогут обеспечить человечество безопасной, дешевой и экологически чистой энергией на многие эпохи. Существуют также проекты использования нейтрино для зондирования строения Земли и поиска полезных ископаемых.

Как поймать неуловимое

В авангарде этих исследований находится Баксанская нейтринная обсерватория. Ее главная научная установка — это галлий-германиевый нейтринный телескоп (ГГНТ).

Сердце ГГНТ — это семь реакторов, содержащих в сумме 50 тонн жидкого галлия (этот металл плавится при 30 °C). Около 40% атомов галлия приходится на галлий-71, ядро которого содержит 31 протон и 40 нейтронов.

Лишь примерно одна частица в день вступает в реакцию с атомным ядром в мишени детектора (такая уж это трудноуловимая частица, нейтрино). В результате такого события галлий-71 превращается в германий-71. Число новорожденных ядер германия и позволяет измерять поток нейтрино.

Выловить тридцать атомов в месяц в 50 тоннах вещества — настоящий научный подвиг, по сравнению с которым поиск иголки в стоге сена — легкое развлечение. Чтобы понять это, достаточно вспомнить, что в стакане воды больше атомов, чем стаканов воды в Мировом океане. Однако физики разработали уникальную процедуру, позволяющую обнаружить 90% образовавшегося германия. Основная ее часть — синтез газообразного соединения германия с водородом. Это вещество подается в детектор, который фиксирует распад радиоактивных атомов германия.

ГГНТ — единственный радиохимический детектор нейтрино класса «мегасайенс» в мире. Как поясняет Кузьминов, у телескопа есть неоспоримое преимущество перед другими системами регистрации этих частиц. Дело в том, что 50-тонная мишень не реагирует на естественный радиационный фон, который, несмотря на все старания, невозможно снизить до нуля. Это повышает точность измерения потока нейтрино.

Основное назначение ГГНТ — регистрация солнечных нейтрино. Однако установка используется и для других целей. Так, именно здесь был проведен эксперимент BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions). Он был организован коллаборацией из 15 научных организаций России, Германии, США, Канады и Японии во главе с Институтом ядерных исследований РАН.

ГГНТ — единственный радиохимический детектор нейтрино класса «мегасайенс» в мире

Этот эксперимент посвящен поиску стерильных нейтрино. Это гипотетическая частица, которая вообще не взаимодействует с атомными ядрами, однако ее можно обнаружить, наблюдая за другими нейтрино. Ее существование могло бы объяснить ряд необычных результатов, полученных в последние годы в разных лабораториях мира. Не исключено также, что именно из стерильных нейтрино состоит загадочная темная материя, которой во Вселенной в несколько раз больше, чем обычного вещества. Открытие такой частицы, безусловно, стало бы событием мирового масштаба и могло бы принести российским физикам Нобелевскую премию.

В рамках эксперимента BEST в зону действия детекторов ГГНТ поместили мощный искусственный источник нейтрино. Сбор данных продолжался с июля по октябрь 2019 года. Сейчас проводится анализ проб и измерение количества германия в них. Первые результаты планируется опубликовать уже в 2020 году.

Еще одна крупная установка обсерватории — Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп (БПСТ). Это четырехэтажное сооружение высотой 11 метров, спрятанное в горной выработке объемом 12 000 кубических метров. 3180 сосудов содержат в общей сложности 330 тонн уайт-спирита (легкого керосина). Когда нейтрино сталкивается с ядром атома, рождается частица мюон, движущаяся с околосветовой скоростью. Прохождение этой частицы через вещество детектора вызывает вспышку, которую фиксируют чувствительные датчики. Часть наблюдаемых телескопом мюонов генерируется не нейтрино, а космическими лучами, так что инструмент позволяет изучать и это явление.

Кроме того, в обсерватории работают установки «Андырчи» и «Ковёр» для изучения широких атмосферных ливней. Это потоки частиц, которые порождаются в атмосфере Земли врывающимися в нее космическими лучами и жестким гамма - излучением. Совместно с установкой «Ковёр» работает комплекс «Ковёр-2», а в октябре 2019 года был запущен и «Ковёр-3».

От медицины до геологии

Отдельная гордость обсерватории — низкофоновые лаборатории. В них радиационный фон снижен в десятки тысяч раз по сравнению с естественным. В таких условиях можно проводить уникальные биологические, медицинские и другие исследования. Так, сотрудники БНО самостоятельно создали и опробовали установку для измерения радиоактивности живого человека. На счету обсерватории сотрудничество с биологами, изучавшими здесь влияние радона на организм, и геофизиками, разместившими в недрах горы свою аппаратуру.

Как отмечает Кузьминов, технологии и методы, разработанные для поимки нейтрино, могут быть использованы в самых разных областях, в том числе и в медицинской.

От прошлого к будущему

Баксанская нейтринная обсерватория — один из знаковых объектов советской и российской науки. Решение о ее создании было принято в 1963 году. Главные научные установки обсерватории вступили в строй в конце 1970-х — начале 1980-х годов. Работа по созданию нового оборудования не прекращалась даже в трудные девяностые. Так, установка «Андырчи» начала работу в 1995 году. Сейчас учреждение представляет собой филиал Института ядерных исследований РАН.

В обсерватории и сегодня работают ветераны, начинавшие свой труд в 1960-е и 1970-е. Это, например, физик с мировым именем член-корреспондент РАН Владимир Николаевич Гаврин. Владимир Николаевич — ученик выдающихся исследователей М. А. Маркова, Г. Т. Зацепина и А. Е. Чудакова, стоявших у истоков отечественной и мировой нейтринной астрофизики. Гаврин непосредственно участвовал в разработке научного оборудования обсерватории. С 1986 года он возглавляет Лабораторию галлий-германиевого нейтринного телескопа.

Исследователь стал инициатором коллаборации SAGE, выдающегося примера международной научной кооперации. В ее рамках с 1989 года российские и американские физики совместно используют телескоп ГГНТ для изучения солнечных нейтрино.

Заслуженные ученые передают лучшие научные традиции советской школы новому поколению. Так, сотрудники обсерватории читают лекции в Кабардино-Балкарском государственном университете (КБГУ), одном из наиболее очевидных кандидатов на получение статуса опорного университета России. Эти университеты участвуют в формировании сети национальных лидеров высшего образования в рамках федерального проекта «Молодые профессионалы». В КБГУ организована базовая кафедра обсерватории. Отсюда в БНО приходит молодое пополнение.

Космос и молодость

Махти Кочкаров — младший научный сотрудник обсерватории, сейчас он готовит кандидатскую диссертацию. «Физика развивает склад ума, вызывающий интерес ко всему в природе, — рассказывает молодой ученый. — Наша обсерватория сосредотачивает в одном месте эксперименты, охватывающие довольно широкий круг задач».

Сам Кочкаров работает с БПСТ и изучает мюоны, которые генерируются при столкновении космических лучей с атомами воздуха. Исследователь работает в БНО с момента окончания КБГУ, где он и узнал об обсерватории и проводимых в ней наблюдениях.

Впрочем, это далеко не единственный способ познакомиться с местными ловцами частиц. Ученый рассказывает, что обсерватория проводит научные школы и конференции для молодежи. Молодые люди, побывавшие здесь, делятся этой информацией в социальных сетях. Так информационные технологии помогают распространять информацию об уникальном научном объекте.

«Сейчас нашей лабораторией заинтересовались, начали приходить молодые люди, новые сотрудники», — подчеркивает Махти. Свои профессиональные планы ученый связывает с обсерваторией. «У нас скоро будут новые эксперименты, новые детекторы, новые приборы», — говорит Кочкаров.

Исследователь надеется застать взрыв звезды Бетельгейзе Бетельгейзе — ярчайшая звезда созвездия Ориона, красный сверхгигант, 17 масс Солнца; признанный кандидат на то, чтобы стать сверхновой звездой, то есть взорваться., которая, по прогнозам астрономов, может вспыхнуть как сверхновая Сверхновая звезда — катаклизм, сопровождающийся выбросом огромного количества энергии; звезда внезапно на 4–8 порядков увеличивает яркость, а потом постепенно затухает; конец эволюции небесного тела. в любой момент (хотя не исключено, что этого события придется ждать и веками). Такие события, как известно, окатывают Землю потоком нейтрино. «В XXI веке сделано уже довольно много открытий, так что я с оптимизмом смотрю в будущее», — заключает Махти.

Сейчас нашей лабораторией заинтересовались, начали приходить молодые люди, новые сотрудники

Настрой своего коллеги разделяет и Виктор Сергеевич Романенко, аспирант ИЯИ РАН. Уже второй год он работает в БНО в должности стажера-исследователя. «Еще будучи студентом магистратуры [КБГУ], я взаимодействовал с Баксанской нейтринной обсерваторией, — рассказывает исследователь. — В университете эта научная связь очень хорошо налажена. Это, можно сказать, опорный университет обсерватории. Очень много студентов и сотрудников [обсерватории] взаимодействуют друг с другом, получается очень хорошая работа».

Астроном изучает гамма - кванты сверхвысоких энергий (выше 700  тераэлектронвольт Электронвольт — чуть больше, чем 10 в минус 19-й степени джоулей; внесистемная единица энергии, используется в ядерной физике и смежных науках.), которые иногда вторгаются в атмосферу Земли. Сталкиваясь с атомами воздуха, они порождают ливень частиц, который фиксируется установкой «Ковёр-3».

Подобные события очень редки: они происходят примерно раз в десятилетие. Источники этого излучения неизвестны, эту загадку еще предстоит разгадать. У сотрудников ИЯИ РАН есть гипотеза, что они одновременно являются и источниками высокоэнергетических нейтрино. Поэтому, изучая гамма - кванты, можно приблизиться к разгадке происхождения нейтрино высоких энергий.

«В моей работе меня привлекает то, что я могу заниматься чем-то еще не открытым, могу делать предположения и, возможно, открытия. Это свобода, которую мне дает наука», — объясняет Романенко.

Сейчас молодой ученый и его коллеги планируют реализовать в БНО проект, позволяющий изучать гамма-кванты Гамма-квант — элементарная частица гамма-излучения, высокоэнергетический (10 в 5-й степени электронвольт) фотон; это излучение может вызвать лучевую болезнь. меньшей энергии: от 10 тераэлектронвольт. Это намного расширит сферу исследований: астрономы смогут изучать гамма-кванты, приходящие из других галактик.

«Я могу сказать с большой уверенностью, процентов на 99%, что я останусь в Баксанской нейтринной обсерватории», — резюмирует Виктор.

Федеральные проекты в сфере высшего образования включены в национальный проект «Образование». Их цель — обеспечение глобальной конкурентоспособности российской высшей школы. «Молодые профессионалы» — проект, направленный на формирование сети национальных лидеров высшего образования.

Университеты-лидеры проведут обновление содержания образовательных программ за счет реализации проектов в ходе обучения, решения профессиональных задач (практико- и проектно-ориентированные программы) в кооперации с работодателями, а также обеспечат переход на модульное построение образовательных программ с включением «коротких» программ (адаптивность и гибкость). Со стороны государства будут обеспечены технологическая инфраструктура онлайн-обучения, нормативная правовая база для использования онлайн-курсов и развития академической мобильности студентов. Также будут созданы условия для академической мобильности (в первую очередь внутрироссийской) научно-педагогических работников и поддержаны лучшие практики. Системным эффектом от реализованных мероприятий будет являться повышение востребованности выпускников организаций высшего образования на рынке труда.

Открытия как государственная политика

Оптимизм молодых сотрудников понятен. Сегодня БНО стала объектом целевой поддержки государства. В рамках национального проекта «Наука» выделены значительные средства на развитие инфраструктуры, обновление оборудования и выплаты сотрудникам. Так, на эти деньги ученые сейчас обновляют парк низкофоновых детекторов.

Молодой ученый, пришедший в Баксанскую нейтринную обсерваторию, сможет изучать объекты и процессы, вызывающие жгучий интерес астрофизиков (например, черные дыры и взрывы сверхновых, условия внутри Солнца и так далее). Уникальные данные телескопов, опыт старших коллег и финансовая поддержка государства обеспечат ему все условия для того, чтобы получать результаты мирового уровня.

Во всём мире проекты класса «мегасайенс», то есть очень большие и сложные научные установки, на которых получают выдающиеся результаты, являются точкой притяжения для научной молодежи и международной кооперации. Благодаря таким проектам Россия не только сохраняет свои нынешние позиции в фундаментальной физике, но и возвращается в лигу мировых научных держав.