Москва – Ивановка – Альфа Центавра

Вместе с нашим корреспондентом Наталией Лесковой отправляемся в путешествие по берегу Байкала, чтобы поймать неуловимые астрофизические частицы.

Вдоль озера

Путь на Байкальский нейтринный телескоп ИЯИ РАН – это удивительное приключение. Сначала надо добраться до стоящего на Байкале посёлка Слюдянка – из Иркутска это около двух часов на машине через горные перевалы. Уши закладывает, когда то съезжаешь, то поднимаешься в гору.

Потом нужно сесть на поезд «Нерпёнок», который ходит всего лишь раз в сутки, чтобы он повёз вас по знаменитой Кругобайкальской железной дороге, связывающей Слюдянку и порт Байкал. На самом деле дорога эта никакая не круговая – это тупиковый отрезок Транссибирской магистрали, когда-то затопленный при строительстве Иркутской ГЭС. Но уже в наше время его восстановили для туристов, и сейчас этот маршрут пользуется огромной популярностью. Вдоль пути следования поезда настроили множество турбаз и кемпингов – кто-то выходит по дороге с огромным рюкзаком, чтобы ходить в горы, кто-то путешествует с детьми.

Места здесь дивные. Поезд следует прямо вдоль Байкала, так что его зеркальная гладь не выходит из вашего обзора ни на минуту. Впрочем, не совсем так: время от времени поезд въезжает в прорубленный в горе тоннель, и тогда в поезде становится темно – электричества там нет. Дети кричат: «Мама, опять ночь!» Но через минуту-другую опять наступает «день».     

Совершенно незаметно проходят три часа – и вот 106-й километр, урочище Ивановка. Когда-то здесь был вполне жилой посёлок, но люди его покинули, а добротные деревянные дома стоят, ожидая новой жизни.

Фото: Наталия Лескова.

Рай для учёных

Зато именно здесь расположилась Байкальская нейтринная обсерватория, о чём сообщает вывеска на здании, стоящем прямо на полустанке. Меня здесь встречают, как дорого гостя – чаем и конфетами, а через час зовут на обед, вкуснее которого я в жизни не едала. Рыба местного посола, гороховый суп с копчёностями и печёная в настоящей русской печке картошка – всё это дело рук трёх заботливых поварих, специально приехавших сюда из Ангарска, чтобы учёные не голодали.

А вот и «мозг» телескопа – операторская. Здесь в буквальном смысле живут две очаровательных девушки из Объединённого института ядерных исследований. Их комната – в паре метров от того места, где получают все данные с телескопа. Дальше нельзя: они должны всё время «держать руку на пульсе», даже ночью надо спать очень чутко, чтобы не проспать грозу. Если такое случится, надо сразу отключать аппаратуру, иначе есть риск потерять телескоп.

По словам Юлии Яблоковой, инженера ОИЯИ, именно в операторской мы видим, как работает основная программа управления, которая позволяет ежедневно запускать новые сеансы записи данных. Также здесь можно проводить калибровочные работы, управлять установкой.

Фото: Наталия Лескова.

На экране видны как отдельные кластеры, так и вся большая установка. Она состоит из гирлянд, каждая из которых, в свою очередь, включает три секции, и на экране всё это отображено. «В течение дня мы следим за тем, чтобы они работали без сбоев, – рассказывает Юлия. – Бывает, что по каким-либо техническим причинам они оказываются исключенными из конфигурации – например, затекают глубоководные модули или что-то с электроникой. Иногда мы получаем сигналы «сбой связи». Не всегда она восстанавливается сама собой».

Зима – «горячее» время

Есть также информация об акустических данных, которые используются для определения точного положения фотодетекторов телескопа. Синим помечены функционирующие части, серым – исключённые. Если что-то перестаёт работать, остаётся ждать зимы. Летом ремонтные работы не производятся из-за больших глубин – телескоп высотой около пятисот метров находится на глубине 1360 метров.

Ремонт, так же, как и развертывание телескопа, осуществляется зимой, когда можно использовать ледяной покров озера как естественную платформу для монтажа оборудования. К месту расположения телескопа выезжают на машине (он находится примерно в 4 км от берега), вырезают во льду отверстия (майны) и при помощи лебёдок поднимают или опускают гирлянды фотодетекторов. Для того чтобы добраться до гирлянд, верхняя часть которых расположена на глубине около 30 метров (это минимальная глубина, при которой сети браконьеров не мешают работе телескопа), вызывают водолазов.

«Данные от телескопа, которые мы здесь получаем, передаём по специальному радиоканалу в Байкальск, где расположен пункт первичного приёма информации, – рассказывает второй инженер, Анна Сиренко. – Далее по высокоскоростному интернету эти данные передаются в Дубну, в Объединённый институт ядерных исследований, который работает в коллаборации с Институтом ядерных исследований».

«Видите цветную картинку? – спрашивает Юлия. – Тут цвет – это некая информация. Она передаёт интенсивность сигнала, который называется темпом счёта. Фиолетовый цвет означает, что импульсов сейчас не так много, а желтоватый говорит о том, что темпы счета сигналов повышаются».

Что именно вызывает эти колебания, вопрос открытый. Обычно это связывают с самим озером, в котором происходят некоторые биохимические процессы – отмирание микроорганизмов, которое вызывает свечение. Установка регистрирует именно свет, поэтому мы можем наблюдать такие явления.

Без кота и жизнь не та

А ещё в операторской живёт очень важный научный сотрудник – кот Пушок. Он трудится на телескопе уже 16 лет, с тех пор, как его подбросили сюда беспомощным котёнком. С тех пор он вырос в большого пушистого кота и знает всё не только о здешней научной жизни, но и о бурундуках и мышах, которые здесь водятся. Время от времени он их приносят своим любимым девушкам-инженерам, кладёт на порог, а то и на подушку. Вот ведь какой приятый сюрприз перед сном! Правда, делает он это нечасто: негоже учёному коту тратить силы не на научную работу.

Фото: Наталия Лескова.

«У этого места достаточно длительная история, – рассказывает Игорь Анатольевич Белолаптиков, научный сотрудник ОИЯИ, начальник установки. – Она началась ещё в 1980-х с создания нейтринной лаборатории, и с тех пор стало понятно, что физики не успокоятся, пока не поставят куда-нибудь нейтринный детектор, регистрирующий излучение Вавилова-Черенкова. Это свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, движущейся со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде».

У истоков создания нейтринной лаборатории стоял Григорий Владимирович Домогацкий, ныне член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник ИЯИ РАН. Он уже более сорока лет руководит Лабораторией нейтринной астрофизики высоких энергий ИЯИ РАН. Его называют живой легендой нейтринной физики – ведь Байкальский эксперимент состоялся во многом благодаря ему.

Было достаточно много условий для постановки такого детектора. Идея использовать водные водоёмы для регистрации потоков нейтрино высоких энергий не нова, впервые она появилась ещё в 1960-х. Изначально собирались ставить такой детектор на Гавайях совместно с США, но вмешалась политика, и сотрудничество прервалось.

Стали искать место на территории СССР. Думали ставить радиодетектор на Дальнем Востоке, но было непонятно, получится ли регистрировать нейтрино таким путём. Пошли другим – решили использовать зеркальную поверхность Байкала, используя лёд как платформу для постановки телескопа. Ставить в море – это корабли, дорогостоящая аренда, зависимость от погоды, а здесь зимой можно быть совершенно спокойными. Нагрузка, которую выдерживает байкальский лед – порядка четырех тонн, можно погружать на дно озера и поднимать аппаратуру, проводить разного рода операции, организовывать лагерь.

Зафиксировать нейтрино

Лагерь – это жилые домики, лабораторные постройки, электрический генератор, лебёдки. «Мы выезжаем в ледовый лагерь для монтажа фотодетекторов телескопа, которые располагаются на тросах через равные расстояния (15 метров), формируя так называемые гирлянды, – говорит Игорь Анатольевич. – Там делаем прорубь полтора на полтора метра, привозим водолазов, если нам нужно поднять конструкцию для ремонта и модернизации. Но основная часть работы – это постановка новых гирлянд. Для этого мы, опять же, выпиливаем майну, ставим лебедку, цепляем груз и начинаем монтаж».

Фото: Наталия Лескова.

Самое «горячее» время здесь – зима. В длительной зимней экспедиции участвует 60-65 человек. Это происходит с середины февраля до начала апреля, когда стоит лёд и по нему можно передвигаться. Летом – это в основном обслуживание техники и подготовка к зиме – организация подвижного состава, лебёдок, обеспечение специальных механизмов для резки льда. Это классический пример того, как надо «сани» готовить летом.

Зачем нужно фиксировать нейтрино? Какую научную ценность это имеет? Потоки нейтрино дают ответы на вопросы о том, как образовалась и развивалась Вселенная. Почему именно нейтрино? Потому что нейтрино – это самый лучший переносчик информации: они сами по себе нейтральны (потому и нейтрино) и при этом слабо взаимодействует, поэтому их проникающая способность очень высока. Через нас с вами от Солнца летят десятки триллионов нейтрино в секунду, а мы этого даже не замечаем. При этом за всю жизнь в человеке происходит всего лишь одно взаимодействие – вот какое оно слабое! Хотя, конечно, у моих собеседников таких взаимодействий наверняка больше.

Некоторые учёные изучают и солнечные нейтрино – они дают важную информацию об эволюции и работе нашего светила. Ведь модель Солнца до сих пор разработана не полностью, там существует масса вопросов.

«Но для нас интереснее нейтрино астрофизические, – подчеркивает Игорь Анатольевич. – Мы пытаемся зарегистрировать нейтрино очень высоких по сравнению с солнечными энергий, которые прилетают к нам издалека, из-за пределов Солнечной системы. Пока мы точно не можем сказать, откуда они прилетают, но последние данные получают всё больше подтверждений, что они держат путь из наиболее ярких объектов – центров галактик, связанных с большими чёрными дырами».

Как отличить астрофизические нейтрино от тех, которые образовались вблизи поверхности Земли в результате взаимодействия космического излучения с атмосферой (так называемые атмосферные нейтрино)? Основным критерием является их энергия. При энергиях больших 10¹⁴ электронвольт количество атмосферных (фоновых) нейтрино становится меньше, чем астрофизических. Именно для таких нейтрино производится поиск источников, в которых они рождаются. Для учёных очень важно понять, что это за объекты, которые посылают нам нейтрино, и какие процессы отвечают за их образования.  

Взрослые неожиданности

Бывают ли неожиданные вещи в этой работе? Да, такое случается довольно часто. Но со временем обычно выясняется, что это какой-то эффект в регистрационной системе детекторов. Например, как-то произошли события очень большой засветки, которые происходили с определённой периодичностью. Дежурный посмотрел на полученные картинки, сказал – что-то это всё странно выглядит. В конце концов, оказалось, что в программе было неправильно настроено управление источником света внутри установки – вот и появился такой неожиданный эффект.

Фото: Наталия Лескова.

В самом озере существует такое явление, как хемолюминесценция – собственное свечение. Оно, конечно, мешает исследованиям. Но ничего тут не поделаешь: озеро – это живой организм со своей биотой, притом, в случае Байкала, очень богатой. Живущие на поверхности озера микроорганизмы постепенно отмирают, падают на дно и начинают светиться – это и есть хемолюминесценция. «Мы достаточно хорошо изучили природу такого свечения, – говорит Игорь Белолаптиков. – Оно очень слабое и в нём отсутствуют яркие вспышки, характерные для регистрации продуктов взаимодействия нейтрино большой энергии. Можно сказать, что регистрация свечения байкальской воды происходит буквально по одному фотончику».

Байкал для строительства выбрали ещё и потому, что это очень прозрачное озеро, достаточно глубокое для того чтобы отсечь фон космического излучения. «И всё это достаётся нам совершенно бесплатно! – говорят мои собеседники. – Наша методика состоит в том, что мы не регистрируем нейтрино напрямую, как это делается, например, в Баксанской нейтринной обсерватории при регистрации солнечных нейтрино. Мы регистрируем нейтрино по вторичным частицам, которые образуются при взаимодействии нейтрино с водой, в результате чего появляются заряженные частицы. Эти частицы в воде излучает то самое излучение Вавилова-Черенкова. Измеряя характеристики этого излучения, время прихода, интенсивность, мы восстанавливаем энергию и направление прихода нейтрино, поскольку вторичный мюон движется в том же направлении, что и первичная частица».

Фото: Наталия Лескова.

Строили, строили… И ещё не построили

Телескоп ещё не завершен. К нему добавляться новые и новые гирлянды, он будет расти, и все это – для того чтобы получить более точные данные об этих удивительных частицах. Сейчас рабочий объём телескопа составляет половину кубического километра и позволяет регистрировать около десятка нейтрино астрофизической природы в год. Такая статистика событий позволяет изучать характеристики потока астрофизических нейтрино (в частности, его энергетического спектра), но недостаточна для надёжной идентификации источников их образования. Для исследования нейтринных источников количество регистрируемых событий должно быть в разы больше, что требует дальнейшего увеличения объёма нейтринного телескопа.

Но есть ли предел? «Всё будет зависеть от результатов, – считает Игорь Белолаптиков. – Если мы достроим до того объёма, когда точно будет знать – всё, летит, скажем, с Альфа Центавры – то, казалось бы, можно остановиться. Но тогда встанет новый вопрос: а почему с объекта, расположенного рядом с Альфа Центавра, мы ничего не получаем? Нам будет интересно это выяснить – тогда надо опять расширять телескоп...»

Схема нейтринного телескопа BAIKAL-GVD, по состоянию на 2023 год. Эффективный объем детектора составляет ≈ 0,5 км3 для каскадных событий от нейтрино в области энергий 100 ТэВ –10 ПэВ.

Как знания о нейтрино можно будет использовать в будущем? «Зачем говорить о будущем, если уже сейчас с помощью атмосферных нейтрино люди изучают структуру Земли, – говорит Игорь Белолаптиков. – Существуют также установки, которые позволяют регистрировать геонейтрино, возникающие при распаде радионуклидов внутри нашей планеты. Эти установки открывают новое направление физики – нейтринную геофизику, и позволяют исследовать пространственное распределение радиоактивных изотопов в недрах Земли».  

Около десяти лет назад американцам впервые удалось передать сообщение при помощи нейтринного пучка. Это было слово «нейтрино». Иначе говоря, нейтринная коммуникация – это универсальный способ передачи информации через любые преграды – например, сквозь Землю. Использование такого способа связи уже давно обсуждается для передачи команд подводным лодкам. Это намного круче, чем нынешняя криптография.

Нейтринные «гости»

«Если помните, на Солярисе были гости, созданные разумным Океаном из нейтрино, – говорит Владимир Айнутдинов, ведущий научный сотрудник ИЯИ, доктор физмат наук. – Казалось бы, чистая фантастика. А мне нравится в это верить. Среди нас тоже можно встретить весьма интересных «гостей».

Какое-то время назад к учёным приезжал из Америки такой «гость». Он на полном серьёзе пытался создать с их помощью акционерное общество по поиску газа и нефти с помощью нейтрино – ведь с их помощью можно зондировать Землю, найти полости и те места, где имеются залежи полезных ископаемых. Он хотел эту технологию получить и потом очень дорого такие сведения продавать. Но потом он исчез – во всяком случае, с горизонта моих собеседников.

Но самое главное в изучении нейтрино – это фундаментальная наука, говорят мои собеседники. В конце XIX века многие считали, что физика как наука себя исчерпала, ничего нового мы уже не узнаем. Открытия в области ядерной физики и физики элементарных частиц, сделанные в XX веке, показали, что это совсем не так. На базе этих открытий была создана так называемая Стандартная модель взаимодействия элементарных частиц.

Однако и в Стандартной модели есть ряд нерешенных проблем. Астрофизические и космологические исследования указывают на существование физики за её пределами, Новой физики. «В 21 веке она обязательно придёт, – уверен Владимир Айнутдинов, – и нейтринные эксперименты, в частности, – одно из ключевых направлений исследований для её создания. На самом деле 90 процентов нашей деятельности направлено не на разработку новых теорий и моделей, а на создание инструмента, нейтринного телескопа, который сможет изучать Вселенную. А то, какие открытия нас ожидают в ходе такой работы, какие новые технологии будут разработаны, никогда заранее неизвестно. Но, безусловно, мы ожидаем новых физических результатов уже в самом ближайшем будущем. Работа над созданием такой крупномасштабной установки, как Байкальский нейтринный телескоп ИЯИ РАН, интересная и многоплановая. Установка растёт, а мы растем вместе с ней. И это процесс бесконечный».

Фото: Наталия Лескова.