О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований рассказывает директор Института ядерных исследований РАН, доктор физико-математических наук Максим Либанов. Беседу ведёт Наталия Лескова.
— Максим Валентинович, для чего вообще нужны нейтринные исследования?
— Существование нейтрино было предсказано ещё в 30-х годах прошлого века. Причём предсказано с осторожностью, в том смысле, что тогда казалось проще допустить нарушение закона сохранения энергии и импульса, чем предположить существование новой частицы. Поэтому, когда при изучении бета-распадов ядер выяснилось, что энергия не сохраняется, ведущие физики того времени, например, Нильс Бор, уже всерьёз начали обсуждать возможность нарушения закона сохранения энергии. Но Паули в открытом письме высказал предположение, что причиной расхождений по энергии при бета-распаде может быть образование новой частицы, не имеющей заряда. Он назвал её нейтроном, однако вскоре название «нейтрон» было присвоено другой, только что открытой частице. Название «нейтрино» придумал Ферми. Обнаружить нейтрино оказалось гораздо сложнее, чем любую заряженную частицу — электрон, позитрон, протон или даже также не имеющий заряда нейтрон...
Окончательно нейтрино было открыто в 50-е годы прошлого века, после чего в самых разных направлениях начала развиваться нейтринная тематика. Стало ясно, что практически во всех известных нам ядерных реакциях участвуют нейтрино. В частности, нейтрино образуются в ядерных реакторах и в термоядерных реакциях на Солнце. Представьте: каждую секунду через нас пролетает сотни триллионов солнечных нейтрино. Но они взаимодействуют настолько слабо, что их очень сложно зарегистрировать.
Несмотря на свою неуловимость, эти частицы дают нам представление о том, как устроена физика за пределами Стандартной модели, которая считается в каком-то смысле законченной, в особенности после открытия бозона Хиггса в 2013 году.
— Но почему «в каком-то смысле»? Что-то мешает ей стать окончательно законченной?
— Да. А именно — один спорный момент: согласно этой модели, нейтрино не может иметь массу. Однако обнаружение осцилляции нейтрино, или его способности переходить из одной формы в другую, требует того, чтобы нейтрино было массивным. Очевидно, что уже по одной этой причине Стандартная модель неполна и её надо расширять. Такую возможность даёт изучение нейтрино.
В Стандартной модели помимо хорошо изученного электрона присутствуют ещё два его аналога, отличающиеся от него только массой, но имеющие такой же электрический заряд и другие характеристики, — мюон и тау-лептон. С каждой из этих заряженных частиц может взаимодействовать нейтрино. Но нейтрино, которое взаимодействует, например, с электроном, не может вступить во взаимодействие с тау-лептоном. Таким образом, в Стандартной модели присутствуют три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. В различных реакциях они появляются только вместе со своим заряженным партнёром.
Нейтрино, рождающиеся в термоядерных реакциях на Солнце, являются электронными. Мы знаем, сколько энергии выделяет наше светило, следовательно, можем прикинуть, сколько оттуда вылетает нейтрино, а значит, можем попытаться зарегистрировать их на Земле. Так вот, регистрируя на Земле электронные нейтрино, испущенные Солнцем, физики выяснили, что их примерно вдвое меньше, чем ожидалось.
— Куда же они подевались?
— Наиболее консервативный ответ заключается в том, что на Земле мы фиксируем нейтрино не всех энергий. Действительно, большинство ранних экспериментов могло ловить солнечные нейтрино только с достаточно большой энергией. Между тем, бóльшая часть солнечных нейтрино имеет меньшую энергию. Поэтому долгое время считалось, что мы просто не видим нейтрино с низкой энергией.
Многие экспериментальные группы стремились измерить поток нейтрино с низкой энергией. Точку в этом вопросе поставил галлий-германиевый нейтринный телескоп у нас в Баксанской нейтринной обсерватории. Идея эксперимента, предложенная членом-корреспондентом РАН Вадимом Алексеевичем Кузьминым, заключается в следующем: нейтрино от Солнца прилетают на Землю, слабо взаимодействуют с ядрами галлия, ядра галлия переходят в ядра германия, и можно посчитать их количество.
— Сколько же таких ядер насчитали?
— Цифры впечатляют: из 50 тонн галлия за месяц выделяется 15 ядер германия. А должно быть, согласно подсчётам, 30. Это даже не иголка в стоге сена.
— Почти по Маяковскому: изводишь единого ядрышка ради тысячи тонн руды.
— Именно так. Галлий-германиевый эксперимент знаменит тем, что, в отличие от предыдущих, померил практически весь спектр солнечных нейтрино и показал, что консервативный ответ не проходит, и вопрос дефицита солнечных нейтрино встал со всей остротой.
Другое решение проблемы нехватки нейтрино основано на гипотезе, выдвинутой Бруно Понтекорво в 1957 году. Он первым предположил, что есть осцилляции — то есть, в процессе движения нейтрино могут переходить из одного типа в другой. Если это так, то поток электронных нейтрино, рождённых на Солнце, приходит к нам на Землю уже в виде смеси трёх типов нейтрино. До недавнего времени все эксперименты по регистрации солнечных нейтрино, включая галлий-германиевый, могли поймать только электронные нейтрино.
В 1999 году в Садбери в Канаде был запущен эксперимент SNO (Sudbury Neutrino Observatory), который смог поймать не только электронные, но и мюонные и тау-нейтрино. Измеренный полный поток нейтрино практически полностью совпал с предсказанным Солнечной моделью. За открытие осцилляций Артур Макдональд, руководитель эксперимента SNO, и Такааки Кадзита, руководитель эксперимента Камиоканде (Япония), в 2015 году получили Нобелевскую премию. Руководитель нашего галлий-германиевого эксперимента, член-корреспондент РАН Владимир Николаевич Гаврин, к сожалению, премию не получил. Однако наш эксперимент стал предтечей нобелевского результата. Без него бы, я думаю, ничего не было.
— А что сейчас известно про массу нейтрино? Её удалось измерить?
— Массу нейтрино пытались измерить многие группы учёных, в том числе у нас в Троицке, где под руководством академика Владимира Михайловича Лобашёва создана уникальная установка, любовно называемая нами «бочкой» (эксперимент «Троицк ню-масс»). По форме она действительно напоминает бочку, и там идёт прямое измерение массы нейтрино. До 2019 года на протяжении примерно десяти лет это были рекордные по точности цифры, занесённые во все таблицы элементарных частиц.
Затем наши немецкие коллеги в тесном взаимодействии с нами и с учёными из других стран в Карлсруэ (Германия) построили установку KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) — увеличенную копию нашей, около десяти метров в диаметре против нашей двухметровой, и побили наш рекорд, уточнив наши данные. Мы продолжаем активно сотрудничать. Сейчас они получили новое ограничение по массе сверху, но собственно масса нейтрино пока так и не обнаружена.
Помимо осцилляции в нейтринном секторе Стандартной модели есть и другие интересные эффекты, которые сейчас активно изучаются, — в частности, с нарушением симметрии относительно замены частиц на античастицы и правого на левое. Нарушение симметрии, как указал Андрей Дмитриевич Сахаров в 1967 году, необходимо для того, чтобы мы с вами существовали. Во время Большого взрыва, если бы симметрия не была нарушена, всего бы родилось поровну — частиц и античастиц, которые бы затем проаннигилировали, и во Вселенной остались бы одни только фотоны.
— Правильно ли я понимаю, что нейтринные исследования необходимы, чтобы понять, что было, в том числе, после Большого взрыва, как развивалась Вселенная?
— Да, и как формировались галактики, как появились звёзды и так далее. Об их эволюции нам могут рассказать нейтрино. Это большое фундаментальное знание, необходимое для понимания многих процессов в нашей Вселенной.
— Почему именно нейтрино помогает нам лучше понять такие явления? Ведь мы можем ловить и протоны, и фотоны, и все они тоже несут определённую информацию.
— Тут есть одна тонкость. Скажем, мы изучаем ядра активных галактик, на что направлен, в частности, наш Байкальский эксперимент (Baikal-GVD). Что такое активная галактика? Это галактика, в центре которой сидит сверхмассивная чёрная дыра, которая «поедает» окружающую её материю. «Съесть» полностью она её не может — мешают законы сохранения, — и часть материи дыра «выплёвывает» с очень высокими, просто гигантскими энергиями. Никакие звёздные энергии в сравнение с ними не идут. При этом вылетают частицы — протоны, гамма-кванты и, по всей видимости, нейтрино. Образуются струи, называемые джетами.
Вселенная, как мы знаем, не пустая. В ней есть магнитные поля. Они очень, очень слабые, но они есть. И они отклоняют заряженные частицы. Поэтому, например, протон, испущенный оттуда, достаточно сильно отклоняется в магнитных полях. То же самое происходит со всеми заряженными частицами. Мы не знаем, откуда пришёл тот или иной протон. Фотон, хоть и нейтрален, за счёт квантовых эффектов тоже немного отклоняется в этих полях. Нейтрино же, будучи слабовзаимодействующей нейтральной частицей, приходит к нам без отклонений и практически точно указывает на источник, в котором оно было рождено.
— Но мы же далеко не всегда знаем его направление…
— Именно поэтому во всех нейтринных экспериментах очень важно восстановить направление. Именно для этого нужен Байкальский нейтринный телескоп. Чем больше его объём, тем больше мы ловим нейтрино, и за счёт большого объёма мы можем точнее восстановить направление их прихода. Используя данные других наблюдений, в частности, радиоастрономических, а в дальнейшем и наблюдения гравитационных волн, мы сможем гораздо лучше понять, какие физические процессы происходят в глубинах космоса. Такой подход, использующий данные разных наблюдений, формирует новое, в настоящее время бурно развивающееся, направление — многоканальную астрономию.
— Что даёт расположение нейтринного телескопа в глубине озера или под землёй?
— Тут мы наблюдаем два разных эффекта. Почему под землёй? Нейтрино, как мы уже поняли, проникает через любые преграды очень эффективно. Заряженные частицы — нет. Но есть фон, оставляемый заряженными частицами. На нас падают космические лучи в огромном количестве — в частности, солнечный ветер, о чём мы даже не задумываемся, но космические лучи несут колоссальную энергию. От этого фона нужно защититься, чтобы не перепутать разные события. Поэтому нейтринные эксперименты проводятся глубоко под землёй — земля защищает от космических лучей.
В частности, Баксанская подземная обсерватория специально создавалась для этих целей ещё во времена СССР. Под горой был прорыт четырёхкилометровый тоннель, по которому движутся вагонетки, там работает несколько лабораторий, осуществляющих разного рода научные исследования, которые требуют защиты от фона. Строили тоннель метростроевцы — там даже есть буква «М». Люди работают в этих лабораториях в специальных чистых одеждах, в белых халатах. Чистота крайне важна для эксперимента — иначе можно принести туда какие-нибудь радиоактивные частицы, которые также будут создавать ненужный фон. И галлий-германиевый телескоп, о котором я говорю, далеко не единственная установка.
Теперь — почему под воду? Здесь техника эксперимента несколько иная: там ловят не сами нейтрино, а так называемое черенковское излучение. Что это такое? Летит нейтрино, оно проходит сквозь Землю и, в том числе, сквозь толщу воды. Иногда, очень редко, оно взаимодействует с ядрами. Если это нейтрино очень высокой энергии, то в результате рождаются частицы с очень высокими энергиями, которые движутся почти со скоростью света в вакууме. А скорость света в воде ниже, раза в полтора. Если заряженные частицы движутся с большей скоростью, чем скорость света в среде, то они излучают свет. Эффект полностью аналогичен возникновению звуковой ударной волны от, например, самолёта, движущегося быстрее скорости звука. Этот свет называется черенковским излучением — по фамилии Павла Алексеевича Черенкова, который за открытие этого явления, эффекта Вавилова — Черенкова, стал Нобелевским лауреатом (в 1958 году, вместе с И. Е. Таммом и И. М. Франком. — Прим. ред.). Собственно, регистрируется свет — фотоны, летящие от частиц. Соответственно, для того чтобы их увидеть, нужна чистая, прозрачная вода. Иначе сигнал поглотится — и мы ничего не увидим. А в прозрачной воде или во льду зарегистрировать излучение возможно. В принципе, можно, конечно, регистрировать в стекле, но где взять кубический километр стекла? Поэтому всё делают в воде или во льду, как в Антарктиде в международном эксперименте IceCube, расположенном на американской станции Амундсен—Скотт. Американцы бурят горячей водой во льду скважину до 2,5 километра глубиной, вмораживают детекторы фотонов, похожие на огромные гирлянды, а затем ловят черенковский свет во льду. А идея эта была предложена советским физиком Моисеем Александровичем Марковым, который основал наш институт.
Со льдом есть свои проблемы. В частности, детекторы вмерзают в лёд, и достать их оттуда уже нельзя. Если сломались — починить невозможно. Вторая проблема — с чистотой. Лёд, хоть и прозрачный, но имеет пузырьки. На пузырьках свет рассеивается, что приводит к уменьшению точности восстановления направления и энергии.
В воде же пузырьков нет, и можно починить аппаратуру, если есть необходимость. На Байкале мы регулярно достаём из воды гирлянды телескопа, чиним какие-то детали, чистим поверхность. Нет проблем с прозрачностью воды и обслуживанием телескопа.
— Но ведь в байкальской воде живут разные организмы. Они не мешают проводить эксперименты?
— Да, живность там есть, и она тоже светится, но мы научились её засекать и отсеивать лишние «шумы». На глубине, куда погружаются струны детекторов, от 700 метров до 1,5 километра, внешние фотоны уже не прилетают. Остаётся лишь внутреннее свечение, но и с этим фактором мы успешно работаем. А заодно занимаемся мониторингом байкальской воды, в частности, её экологическим состоянием. Это одна из составляющих нашей работы на Байкале.
— Нейтринные исследования на Байкале начались ведь в 1980-х годах. Какие результаты удалось получить?
— Этот эксперимент, проводимый под руководством члена-корреспондента РАН Григория Владимировича Домогацкого, развивался ступенчато. Изначально была построена одна струна телескопа, потом её дополнили. Такие предварительные исследования необходимы были для того, чтобы постепенно прийти к нынешнему мегапроекту. За это время обнаружены интересные эффекты, связанные с байкальской экологией, с чистотой воды. Был открыт эффект вертикальных электрических токов в воде, который до сих пор во многом остаётся загадкой для учёных. Были проведены первые измерения потоков нейтрино, отработаны технологии обработки данных. А сейчас, благодаря расширению телескопа, мы ожидаем, что будут регистрироваться (и уже регистрируются) астрофизические потоки от ядер активных галактик и мы узнаем, рождаются ли эти нейтрино именно в этих ядрах.
Физических механизмов производства нейтрино высоких энергий не так уж много, и вопрос, производятся ли такие нейтрино в джетах ядер, остаётся открытым. Нейтринные результаты используются совместно с данными радиоастрономии. Очень важно, что наш телескоп вместе с IceCube будет покрывать всё небо, и таким образом мы получим полную картину происходящего.
— Необходимость строить такой большой телескоп объясняется именно тем, что вы хотели охватить всё небо?
— Нет, большой телескоп нужен для того, чтобы наиболее точно регистрировать потоки нейтрино. Ожидается, что мы будем регистрировать около 20 событий в год. Казалось бы, совсем немного. Но с точки зрения физики — немало. Мы будем набирать статистику, увеличивать точность определения направления и энергии, и это станет поворотным моментом во всей современной астрофизической науке. Мы ждём тут больших прорывов.
— Имеют ли нейтринные исследования какой-то прикладной выход — или это чисто фундаментальная задача?
— Можно смотреть на это по-разному. В 80-х годах XIX столетия Герц открыл электромагнитные волны. Проводя эксперимент с двумя шарами, он получил между ними электрическую искру, возмущение от которой было зафиксировано удалённым детектором. По этому поводу он написал, что явление может быть интересно студентам, но вообще ничего фундаментально важного оно собой не представляет. Прошло время. И сейчас мы не мыслим своего существования без электромагнитных волн. Радио, телевидение, мобильная связь — это всё электромагнитные волны.
Нейтрино с его всепроникающими свойствами в этом смысле аналогично по широте возможностей. Скажем, с помощью нейтрино можно просветить Землю и узнать, что у неё внутри. Выяснить её сейсмику, научиться с высокой точностью прогнозировать землетрясения. С помощью нейтрино можно разведывать полезные ископаемые, исследовать планеты и Солнце. По спектру нейтрино можно узнать, что происходит внутри ядерного реактора на атомных электростанциях, — что там делится, какие вещества, затухает он или нет. Можно кон-тролировать, что производят другие страны на своих реакторах, не нарабатывают ли они, неровен час, оружейный плутоний. Простор тут поистине неисчерпаем.
— У Станислава Лема в «Солярисе» так называемые гости были созданы именно из нейтрино, чем и объяснялось их свойство исчезать и появляться вновь. Это чистая фантастика или подобные сущности возможны на других планетах, как вы думаете?
— С моей точки зрения, это чистая фантастика. Мы понимаем жизнь как явление высоко организованное. Нейтрино взаимодействуют настолько слабо, что я не могу себе представить, чтобы они склеились хоть на какое-то время. Иначе говоря, если бы такие «гости» появились, они бы тут же исчезли, не сумев просуществовать и доли секунды, поскольку в случае нейтрино не возникает заметного притяжения между частицами. Вряд ли в них могла быть записана какая-то информация. В других фантастических произведениях изображалась фотонная жизнь — всё это звучит очень привлекательно, но представить себе подобные формы жизни в наших условиях невозможно. А фантазировать о других условиях можно долго.
— Максим Валентинович, предлагаю от нейтрино перейти к протону — частице, прикладное использование которой очевидно, в частности, в области медицинской физики. Протонной терапией рака активно занимаются во всём мире, и в нашей стране есть установки, на которых лечат пациентов. Правда ли, что в Институте ядерной физики разработали новую технологию протонной терапии?
— Лечение рака с помощью облучения было предложено в середине прошлого века. Существует традиционная лучевая терапия — облучение гамма-квантами либо электронами. И есть протонная терапия. В чем её главная особенность? Дело в том, что протон, с точки зрения физики микромира, очень тяжёлая частица. По сути, это ядро атома водорода, которое можно разогнать, и когда он попадает в вещество, он начинает излучать и терять энергию. Основную долю энергии он испускает, когда почти останавливается. То есть мы можем взять протон, подобрать ему энергию, так что он, попадая на какой-либо объект и пролетая его, в самом конце своего пути тормозит и выжигает всё, что там находится. Если это раковая опухоль, он убивает её либо делает так, что раковые клетки перестают делиться. А всё остальное остаётся непоражённым. Результат сейчас хорошо просчитывается, и такой «выстрел» может быть очень точным.
Это обычная протонная терапия, которая, действительно, развивается во всём мире. Проблема здесь в том, что пациента надо облучать несколько раз, поскольку энергии, выделяемой за один сеанс, оказывается недостаточно для уничтожения опухоли. Лечение требует времени, которого у онкологических пациентов очень часто нет.
В последнее время в мире начала развиваться так называемая флэш-терапия, от английского flash — молния, вспышка. Создают достаточно интенсивный пучок протонов, который за доли секунды выделяет практически всю свою энергию. В этом случае за один сеанс можно выжечь все раковые клетки или прекратить их деление. На Западе уже начались клинические исследования протонной терапии такого типа.
В конце прошлого года мы создали технологию ультра-флэш терапии. Она сейчас исследуется на культурах раковых клеток. Идея в том, чтобы выделение энергии происходило ещё быстрее — за несколько миллисекунд, но при этом энергию оставить ту же или даже сделать ещё больше. По сути, вся энергия протона выделяется мгновенно. Наши исследования показывают, что такой подход гораздо эффективнее, чем обычная флэш-терапия.
— Почему никто в мире до этого раньше не додумался?
— Потому что наш линейный протонный ускоритель в Троицке до настоящего времени является единственным в своём роде в Евразии. На обычных протонных ускорителях — синхротронах — такую ультракороткую вспышку получить нельзя. Во-первых, наш ускоритель имеет феноменальную мощность, хотя энергии его не самые большие. Для сравнения энергия Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе в 10 тысяч раз больше. Но интенсивность протонного пучка там сравнительно мала, потому что задачи там решаются совершенно другие. У нас же очень большой ток — то есть очень много протонов ускоряется в единицу времени. Благодаря этому и возможны эффекты ультрабыстрого выделения энергии, которые можно успешно использовать в медицине, хотя есть и другие прикладные задачи, которые мы тоже решаем. А во-вторых, на нашем ускорителе можно регулировать длительность импульса, укорачивая время воздействия на опухоль.
Надеюсь, в скором времени начнутся испытания на животных, затем — клинические исследования на людях. Если всё подтвердится, то начнётся новая эра в лечении рака. Для широкого применения нашей технологии нужно будет разработать новые протонные ускорители по аналогии с нашим ускорителем в Троицке, но направленные на более узкую медицинскую задачу.
— То есть нейтринные исследования открывают новую эру в познании космоса, а протонные исследования создают новые возможности в терапии рака. А что сложнее — узнать тайны Вселенной или победить рак?
— Вопрос философский. Рак — одна из тайн Вселенной, как и вообще человек. Поэтому, наверное, познание Вселенной — более сложная задача просто потому, что она включает в себя и познание природы человека, которая при всех успехах биологических, медицинских, гуманитарных наук остаётся чрезвычайно непростой и далёкой от решения. Ещё древние греки говорили, что познание безгранично. Мы доходим до какого-то уровня, достигаем горизонта — нам открывается новый горизонт. Мы делаем всё новые и новые шаги за горизонт, раздвигая его. В этом смысле физика даёт огромные возможности, но оставляет не меньше поводов для раздумий. Та же квантовая физика — мы знаем, как можно что-то в её рамках вычислить, но не понимаем, почему это работает. Точно так же мы знаем очень многое о человеке, но не понимаем самого феномена жизни.
