На березі нейтринного моря частинка нейтрино

Статтю написано Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Познавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою

Зміст:

Відкриття

Відкриття нейтрино було з впевненістю дослідників у справедливості фундаментальних законів фізики — законів збереження. На самому початку XX століття щодо бета-розпаду радіоактивних ядер фізики, як скрупулезні бухгалтери, намагалися звести баланс енергії. Але він не сходився: частина енергії зникала невідомо куди. Таким чином, під загрозою опинився один із фундаментальних законів фізики — закон збереження енергії. Врятував становище швейцарський фізик Вольфганг Паулі, який у 1930 році висловив припущення, що при бета-розпаді разом з електроном народжується якась частка-невидимка, яка й забирає недостатню частину енергії. Непоміченою ця частка залишається тому, що не має маси спокою та електричного заряду і не здатна відривати електрони від атома або розщеплювати ядра, іншими словами, не може робити ті ефекти, якими зазвичай судять про появу частинки. До того ж вона дуже слабко взаємодіє з речовиною, тому може пройти через велику товщу речовини, не виявляючи себе. Цією часткою і виявилося наше нейтрино. Щойно встигли виявити нейтрино, як воно завдало найсильнішого удару всій будівлі фізики. Американські вчені Т. Д. Лі та Ц. Н. Янг відкрили порушення одного з фундаментальних законів мікросвіту.Виявилося, що нейтрино, як зачарована красуня, ніколи не може побачити себе у дзеркалі. Зміна координат на протилежні (саме так «діє» дзеркало) відіграє кримінальну роль його житті. Воно перетворюється на античастинку. У дзеркалі ми вже побачимо антинейтрино. І всі процеси, у яких бере участь нейтрино, несуть у собі відбиток його незвичайної долі.

Загадка космічних злив

Нещодавно з'ясувалося, що нейтрино не дотримуються правил поведінки, обов'язкових для інших часток. Відомо, що чим більшу енергію має, наприклад, протон, тим більше неохоче він вступає в контакт з навколишнім речовиною. А нейтрино – навпаки. Вони стають все більш товариськими. Така зміна «характера» нейтрино впливає насамперед його проникаючу здатність. Якщо енергія нейтрино дуже велика, то йому серйозною перешкодою може стати навіть атмосфера Землі! Ця незвичайна властивість нейтрино навела вчених на одну цікаву думку. В останні роки було виявлено кілька загадкових широких злив елементарних частинок, що виникають в атмосфері. Якщо скласти енергії всіх частинок такої зливи, то вийде дуже велика величина. Фізики припускають, що ці широкі зливи могли бути створені нейтрино, що має таку величезну енергію. Воно прилітає з далекого космосу та застряє у земній атмосфері, породжуючи гігантські потоки елементарних частинок. Втім, поки що зареєстровано лише близько десяти злив, тому смілива гіпотеза потребує підтвердження.

Посланці Сонця

Нейтринний маскарад

Астрономічні телескопи намагаються підняти якомога вище над Землею, щоб атмосфера не заважала розглянути Сонце.«Побачити» його за допомогою нейтрино можна лише забравшись глибше під землю, де фон від космічного випромінювання досить малий. Нейтринний телескоп, який був використаний для пошуків сонячних нейтрино, влаштований дуже просто. Це величезний резервуар — понад п'ятсот тонн рідини, що містить хлор і зазвичай використовується для чищення одягу. Зіткнувшись з ядрами атомів хлору, нейтрино перетворює їх на радіоактивні ядра атомів аргону, число яких легко підрахувати за допомогою звичайного лічильника елементарних частинок. Можна «виловити» навіть кілька атомів аргону з усієї величезної маси рідини, що у резервуарі. Природно, що що довше опромінюватиметься бак із рідиною, то більше накопичиться у ньому таких нейтринних слідів. Три місяці нейтринний телескоп не спускав «очей» із Сонця, причому спостереження велося цілодобово: у нейтринних променях уночі його видно так само добре, як і вдень. Але все було марно. Після опромінення не вдалося виявити жодного атома аргону в рідині. Потік сонячних нейтрино виявився принаймні вдесятеро меншим за розрахунковий… Фізиків це не збентежило. "Розрахунки очікуваного числа нейтрино, - кажуть одні, - і не могли претендувати на абсолютну безперечність, оскільки ґрунтувалися на дуже непрямих даних". З іншого боку, можна припустити, як і робить академік Б. М. Понтекорво, що причина невдачі досвіду лежить у незвичайних властивостях самого нейтрино.

Типи нейтрино

Нейтрино не самотнє на білому світі. Існує два типи таких частинок - електронні нейтрино, що вилітають разом з електронами при радіоактивному розпаді ядер, і мюонні, що виникають у парі з мю-мезон при розпаді більш важкої нестабільної частинки. Їхні прикмети абсолютно однакові.Але, як і дуже схожі близнюки, вони відрізняються одна від одної своєю поведінкою: беруть участь у різних ядерних реакціях. Не виключено, що вільні електронні нейтрино не залишаються електронними, а мюонні — мюонними. Можливо, що у вакуумі електронні нейтрино мимоволі перетворюються на мюонні та навпаки. Що ж виходить? У реакцію з хлором можуть вступати лише електронні нейтрино. Саме такі частинки й випромінює сонячний ядерний котел. Але якщо дорогою на Землю електронні нейтрино встигають частково перетворитися на мюонні, то спійманих невидимок буде значно менше, ніж їх насправді. Можливо, нейтринний маскарад — і є причина нинішньої невдачі у полюванні на сонячні нейтрино. Перша спроба не вдалася. Наразі триває переозброєння. Експериментатори готуються до нової зустрічі із посланцями Сонця.

Нейтринне цунамі

Багато цікавого знають нейтрино, що обрушуються на Землю з далекого космосу. Вони доносять до нас сильне дихання величезних гарячих зірок. Енергія теплового випромінювання цих зірок настільки велика, що у надрах постійно виникають пари легких частинок — електронів і позитронів. Стикаючись один з одним, вони знову перетворюються на фотони теплового випромінювання. Здавалося б, ця гра, в якій фотони та електрон-позитронні пари, як м'яч, перекидають один одному енергію, може тривати нескінченно довго. Але ж ні. Щойно температура зірки сягає сотні мільйонів градусів, у житті зірки настає драматичний перелом. При такій температурі деякі електрон-позитронні пари перетворюються не на фотони, а на пару нейтрино-антинейтрино. Ці частки вже ніколи не зіштовхнуться одна з одною.Замінивши у грі електрон-позитронних партнерів, вони не передають м'яч — енергію, а як бешкетні хлопчаки, порушуючи всі правила, забирають його (точніше, її) із собою. Ця енергія втрачена для зірки назавжди. І що вища її температура, то більше нейтрино вона испускает. Вони відіграють роль вікна, відчиненого на вулицю із жарко натопленої кімнати. Щоб кімната не охолола, у піч треба підкладати все більше дров. Так і зірка починає все інтенсивніше витрачати своє термоядерне паливо. Як і температура печі в кімнаті, підвищується температура її надр, а разом з нею збільшується і кількість нейтрино, що випускаються. В останні століття свого життя зірки, мабуть, здебільшого втрачають енергію у вигляді нейтрино, а не світла. Ці частинки так швидко розкрадають енергетичні запаси зірки, що настає момент, коли їй вже нема чим поповнити цей спад. Пальне зірки – водень – повністю «вигорів». Але зірка не остигає. Як організм людини з'їдає себе при голодуванні, і зірка, очевидно, починає витрачати гравітаційну енергію своєї маси. Починається катастрофічно швидке стиснення зірки – колапс. Інтенсивність нейтринного потоку неймовірно зростає. Протягом сотих часток секунди зірка «видихає» більше нейтрино, ніж було випущено нею протягом усього життя. За сучасними уявленнями так закінчують свою еволюцію всі зірки з більшою масою, ніж у Сонця. Іноді під час колапсу від зірки відокремлюється невелика частина, яка з величезною швидкістю розширюється. Астрономи спостерігають свічення цієї хмари — так званий спалах наднової. Можливо, інші зірки колапсують спокійно, обходячись без феєрверку.Якщо спалах наднової відбудеться в центрі нашої Галактики, то сильна нейтринна хвиля досягне і нашої планети. За оцінками, зробленими вченими, її можна буде зареєструвати у лічильнику, який містить кілька сотень тонн рідини. Якщо кілька таких нейтринних лічильників розташувати у різних місцях земної кулі, то за послідовністю зареєстрованих ними нейтринних сигналів можна визначити, звідки прийшла нейтринна хвиля. Спалахи наднових — досить рідкісне явище: приблизно один надновий за 300 років у нашій Галактиці. Але якщо правильне припущення про механізм «тихого» колапсу, то нейтринне цунамі має обрушуватися на Землю набагато частіше – майже раз на місяць! Якщо колись вдасться зареєструвати їх, ми отримаємо можливість, не залишаючи Землі, дізнатися про найцікавіший період життя зірок.

Космічні лінзи

Гравітаційному тяжінню підвладне все, що має масу. Нейтрино не є винятком. Хоча маса нейтрино, точніше, маса спокою цієї частки, як і маса спокою фотона, дорівнює нулю, у русі вона набуває інерційної маси. Тому, якщо потік нейтрино від будь-якої зірки зустріне на своєму шляху іншу зірку або планету, то з ним станеться те саме, що і з паралельним пучком світла, що падає на оптичну лінзу. Гравітаційне поле космічного тіла, наприклад, зірки, сфокусує нейтринний потік певній відстані від свого центру. Ця нейтринна фокусна відстань залежить тільки від радіусу та щільності зірки. Сонце також може грати роль такої гравітаційної лінзи.Воно фокусує нейтринне зображення зірки в точці, віддаленій на сто мільярдів кілометрів від свого центру, тобто на відстані, в двадцять разів більшій за радіус орбіти найвіддаленішої планети сонячної системи — Плутона. Лінза-Земля, звертаючись навколо Сонця, також безперервно фокусує сонячні нейтрино. Нейтринне зображення Сонця слідом за рухом нашої планети переміщається у просторі на відстані тисячі мільярдів кілометрів від її центру. Прозорість гравітаційних лінз краща, ніж у звичайних оптичних: адже світло частково поглинається лінзами, а потік нейтрино проходить через зірку практично без втрат. Зірка-лінза не викликає і розкиду частинок, дисперсії. Нейтрино будь-яких енергій фокусуються абсолютно однаково. Вчений І. Лапідес припускає, що, використовуючи фокусуючі властивості масивних космічних тіл, можна було б побудувати нейтринний телескоп для пошуків джерел нейтринного випромінювання. Уявімо, що дуже великий космічний корабель з добре захищеним від космічних променів нейтринним детектором на борту виведений на навколосонячну орбіту з радіусом, рівним фокусній нейтринній відстані нашого світила. Якщо корабель рухається поверхнею сфери такого радіусу, можна «промацувати» ділянки простору, розташовані за Сонцем. Як тільки на лінії, що з'єднує космічний корабель з центром Сонця, виявиться зірка, що випускає нейтрино, детектор на космічному кораблі зареєструє різке збільшення потоку нейтрино. Для такої мети цілком підійшов би космічний корабель, який керував вибухами водневих бомб, над проектом якого працював фізик-теоретик Ф. Дайсон.Він вважає, що корабель вантажопідйомністю в десятки та сотні тисяч тонн може бути збудований вже на основі Сучасного рівня науки та техніки.

Ровесники Всесвіту

Ми не знаємо, що відбувається на Сонці в цю мить. Тільки через вісім хвилин світлові промені або сонячні нейтрино повідомлять, нам, що Сонце працює нормально… Останній крик зірки, що колапсує десь на краю Галактики, дійде до нас через багато тисяч років потужним сплеском нейтринної хвилі або судомою гравітаційного поля. Але як не довгий шлях цих вісників далеких подій, ми дізнаємося голос знайомого нам Всесвіту. А чи такою вона була мільярди років тому? Якщо мають рацію вчені, то 10—15 мільярдів років тому Всесвіт зовсім не був схожим на те, що ми зараз маємо на увазі під цим словом. Тоді ще не було зірок, не було Галактики. Існувала лише надщільна розпечена матерія, що складається з окремих елементарних частинок, змішаних з випромінюванням. Хоч як це фантастично, але, мабуть, досі живі свідки, які бачили такий Всесвіт. На одній із ранніх стадій її розвитку, у так звану «лептонну еру», основну роль мали грати легкі частинки-лептони (мюони, електрони і позитрони, нейтрино і антинейтрино). Потім нейтрино відірвалися від решти Всесвіту, повели незалежний спосіб життя і понині блукають у його просторах. Багато з того часу змінилося у Всесвіті. Але нейтрино — її ровесники ще пам'ятають про те, чому були свідками. Вже виявлено реліктове космічне теплове випромінювання, яке, як і нейтрино, виникло ранній стадії еволюції Всесвіту.Якби вдалося знайти реліктові нейтрино, то це дозволило б остаточно вирішити питання про «гарячий клімат», що панував у Всесвіті вперше секунди та хвилини її існування. Але надії зустрітися з реліктовими нейтрино поки що невеликі. Енергія їх така мала, що ще невідомі досить надійні методи, щоб зуміти їх зареєструвати. І все-таки, як вважає академік Я. Б. Зельдович, «… пошуки реліктових нейтрино, хоч би якими складними вони виявилися, надзвичайно важливі… Автор: В. Чорногорова.

Як нейтрино впливає на людину

Доктор фізико-математичних наук Максим Лібанов

З того моменту, як Вольфганг Паулі в 1930 році, рятуючи закон збереження енергії в мікросвіті, висунув гіпотезу про існування нейтрино, ця невловима частка залишається на передньому краї фізичних досліджень.

З того моменту, як Вольфганг Паулі в 1930 році, рятуючи закон збереження енергії в мікросвіті, висунув гіпотезу про існування нейтрино, ця невловима частка залишається на передньому краї фізичних досліджень. Недарма академік Віталій Лазаревич Гінзбург, обговорюючи питання про те, які проблеми фізики та астрофізики видаються на порозі ХХI століття особливо важливими та цікавими, серед інших вказав нейтринну фізику та астрофізику (див. «Наука і життя» №№ 11, 12, 1999). ). І перші два десятиліття нового століття не обдурили очікування вчених. Дослідження нейтрино отримали одразу дві Нобелівські премії: 2002 року — за реєстрацію космічних нейтрино, а 2015-го — за експериментальний доказ існування осциляцій нейтрино (див. «Наука і життя» № 12, 2002 р. та № 11, 20 ). Роботи продовжують набирати хід, будуються нові нейтринні обсерваторії, розширюється міжнародне співробітництво.Журнал «Наука і життя», тримаючи руку на пульсі, регулярно розповідав на своїх сторінках про нейтрино (див., наприклад, № 2, 3, 2000 і № 3, 4, 2014). З останнього можна згадати відкриття російськими астрофізиками народження космічних нейтрино високих енергій шутами (див. № 4, 2021). У нашій країні дослідження нейтрино ведуться здебільшого в Інституті ядерних досліджень РАН (ІЯД), який займається цим уже півстоліття, з моменту своєї освіти у 1970 році. У розпорядженні інституту знаходяться унікальні установки у Баксанській ущелині (див. «Наука і життя» № 9, 2019 р.), на озері Байкал та у підмосковній Троїцьку. Крім того, ІЯД бере участь у низці найбільших міжнародних нейтринних проектів.

Про сучасний стан нейтринних та протонних досліджень розповідає директор Інституту ядерних досліджень РАН, доктор фізико-математичних наук Максим Лібанов. Розмову веде Наталія Лєскова.

Розробник та багаторічний керівник установки «Троїцьк ню-мас» академік Володимир Михайлович Лобашов (другий праворуч у першому ряду) зі своєю командою. Світлина 2010 року. Фото: ІЯДІ РАН.

Установка "Троїцьк ню-мас". В даний час на установці проводяться експерименти з пошуку стерильних нейтрино в діапазоні мас до 5-7 кеВ. Фото: ІЯДІ РАН.

Реактори галій-германієвого нейтринного телескопа Баксанської нейтринної обсерваторії. Фото: ІЯДІ РАН.

Урочистий запуск глибоководного телескопа нейтринного Baikal-GVD 13 березня 2021 року. На фото: Ігор Анатолійович Білолаптіков, в. о. начальника експедиції показує оптичний модуль учасникам церемонії. Фото Баїра Шайбонова/Baikal-GVD.

— Максиме Валентиновичу, для чого взагалі потрібні нейтринні дослідження?

— Існування нейтрино було передбачено ще у 30-х роках минулого століття. Причому передбачено з обережністю, тому, що тоді здавалося простіше допустити порушення закону збереження енергії та імпульсу, ніж припустити існування нової частки. Тому, коли при вивченні бета-розпадів ядер з'ясувалося, що енергія не зберігається, провідні фізики того часу, наприклад Нільс Бор, вже всерйоз почали обговорювати можливість порушення закону збереження енергії. Але Паулі у відкритому листі висловив припущення, що причиною розбіжностей по енергії при розпаді бета може бути утворення нової частинки, що не має заряду. Він назвав її нейтроном, проте незабаром назву «нейтрон» було присвоєно іншій, щойно відкритій частинці. Назву «нейтрино» вигадав Фермі. Виявити нейтрино виявилося набагато складніше, ніж будь-яку заряджену частинку - електрон, позитрон, протон або навіть нейтрон, що також не має заряду.

Остаточно нейтрино було відкрито в 50-ті роки минулого століття, після чого в різних напрямках почала розвиватися нейтринна тематика. Стало ясно, що у всіх відомих нам ядерних реакціях беруть участь нейтрино. Зокрема, нейтрино утворюються в ядерних реакторах та термоядерних реакціях на Сонці. Уявіть: щомиті через нас пролітає сотні трильйонів сонячних нейтрино. Але вони взаємодіють настільки слабко, що їх дуже важко зареєструвати.

Незважаючи на свою невловимість, ці частинки дають нам уявлення про те, як влаштовано фізику за межами Стандартної моделі, яка вважається в якомусь сенсі закінченою, особливо після відкриття бозона Хіггса у 2013 році.

— Але чому «у якомусь сенсі»? Щось заважає їй стати остаточно закінченою?

- Так.А саме – один спірний момент: згідно з цією моделлю, нейтрино не може мати масу. Однак виявлення осциляції нейтрино, або його здатності переходити з однієї форми до іншої, вимагає того, щоб нейтрино було масивним. Очевидно, що вже з цієї причини Стандартна модель неповна і її треба розширювати. Таку можливість дає вивчення нейтрино.

У Стандартній моделі крім добре вивченого електрона присутні ще два його аналоги, що відрізняються від нього тільки масою, але мають такий же електричний заряд та інші характеристики, мюон і тау-лептон. З кожною з цих заряджених часток може взаємодіяти нейтрино. Але нейтрино, яке взаємодіє, наприклад, з електроном, неспроможна вступити у взаємодію Космосу з тау-лептоном. Таким чином, у Стандартній моделі є три типи нейтрино: електронне, мюонне та тау-нейтрино. У різних реакціях вони з'являються лише разом із своїм зарядженим партнером.

Нейтрино, що у термоядерних реакціях на Сонце, є електронними. Ми знаємо, скільки енергії виділяє наше світило, отже, можемо прикинути, скільки звідти вилітає нейтрино, отже, можемо спробувати зареєструвати їх на Землі. Так ось, реєструючи на Землі електронні нейтрино, випущені Сонцем, фізики з'ясували, що їх приблизно вдвічі менше, ніж очікувалося.

— Куди ж вони поділися?

— Найбільш консервативна відповідь у тому, що на Землі ми фіксуємо нейтрино не всіх енергій. Справді, більшість ранніх експериментів могли ловити сонячні нейтрино лише з досить великою енергією. Тим більше що, більшість сонячних нейтрино має меншу енергію. Тому довго вважалося, що ми просто не бачимо нейтрино з низькою енергією.

Багато експериментальних груп прагнули виміряти потік нейтрино з низькою енергією. Крапку у цьому питанні поставив галій-германієвий нейтринний телескоп у нас у Баксанській нейтринній обсерваторії. Ідея експерименту, запропонована членом-кореспондентом РАН Вадимом Олексійовичем Кузьміним, полягає в наступному: нейтрино від Сонця прилітають на Землю, слабо взаємодіють з ядрами галію, ядра галію переходять в ядра германію, і можна порахувати їх кількість.

— Скільки таких ядер нарахували?

— Цифри вражають: із 50 тонн галію за місяць виділяється 15 ядер германію. А має бути, згідно з підрахунками, 30. Це навіть не голка у копиці сіна.

— Майже за Маяковським: зводиш єдиного ядерця заради тисячі тонн руди.

- Саме так. Галій-германієвий експеримент відомий тим, що, на відміну від попередніх, поміряв практично весь спектр сонячних нейтрино і показав, що консервативна відповідь не проходить, і питання дефіциту сонячних нейтрино постало з усією гостротою.

Інше вирішення проблеми нестачі нейтрино засноване на гіпотезі, висунутій Бруно Понтекорво у 1957 році. Він першим припустив, що є осциляції, тобто в процесі руху нейтрино можуть переходити з одного типу до іншого. Якщо це так, то потік електронних нейтрино, народжених на Сонці, приходить до нас на Землю у вигляді суміші трьох типів нейтрино. Донедавна всі експерименти з реєстрації сонячних нейтрино, включаючи галій-германієвий, могли зловити лише електронні нейтрино.

У 1999 році в Садбері в Канаді було запущено експеримент SNO (Sudbury Neutrino Observatory), який зміг зловити не тільки електронні, але й мюонні та тау-нейтрино.Виміряний повний потік нейтрино практично повністю збігся з передбачуваною Сонячною моделлю. За відкриття осциляцій Артур Макдональд, керівник експерименту SNO, та Такаакі Кадзіта, керівник експерименту Каміоканде (Японія), у 2015 році здобули Нобелівську премію. Керівник нашого галій-германієвого експерименту член-кореспондент РАН Володимир Миколайович Гаврін, на жаль, премію не отримав. Проте наш експеримент став предтечею нобелівського результату. Без нього б, гадаю, нічого не було.

— А що зараз відомо про масу нейтрино? Її вдалося виміряти?

— Масу нейтрино намагалися виміряти багато груп вчених, у тому числі у нас у Троїцьку, де під керівництвом академіка Володимира Михайловича Лобашова створено унікальну установку, яку ми називаємо «бочкою» (експеримент «Троїцько ню-мас»). За формою вона справді нагадує бочку, і там йде прямий вимір маси нейтрино. До 2019 року протягом десяти років це були рекордні за точністю цифри, занесені до всіх таблиць елементарних частинок.

Потім наші німецькі колеги у тісній взаємодії з нами та з науковцями з інших країн у Карлсруе (Німеччина) побудували установку KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) — збільшену копію нашої, близько десяти метрів у діаметрі проти нашої двометрової, та побили наш рекорд, уточнивши наші дані . Ми продовжуємо активно співпрацювати. Зараз вони отримали нове обмеження по масі зверху, але власне маса нейтрино поки що так і не виявлена.

Крім осциляції в нейтринному секторі Стандартної моделі є й інші цікаві ефекти, які зараз активно вивчаються, зокрема з порушенням симетрії щодо заміни частинок на античастинки та правого на ліве.Порушення симетрії, як зазначив Андрій Дмитрович Сахаров у 1967 році, необхідне для того, щоб ми з вами існували. Під час Великого вибуху, якби симетрія не була порушена, всього б народилося порівну — частинок і античасток, які потім проанігілювали б, і у Всесвіті залишилися б одні тільки фотони.

— Чи правильно я розумію, що нейтринні дослідження необхідні, щоб зрозуміти, що було, зокрема, після Великого вибуху, як розвивався Всесвіт?

— Так, і як формувалися галактики, як з'явилися зірки і таке інше. Про їхню еволюцію нам можуть розповісти нейтрино. Це велике фундаментальне знання, необхідне розуміння багатьох процесів у нашому Всесвіті.

— Чому саме нейтрино допомагає нам краще зрозуміти такі явища? Адже ми можемо ловити і протони, і фотони, і всі вони також несуть певну інформацію.

- Тут є одна тонкість. Скажімо, ми вивчаємо ядра активних галактик, на що спрямований зокрема наш Байкальський експеримент (Baikal-GVD). Що таке активна галактика? Це галактика, в центрі якої сидить надмасивна чорна діра, яка «поїдає» матерію, що її оточує. "З'їсти" повністю вона її не може - заважають закони збереження, - і частина матерії діра "випльовує" з дуже високими, просто гігантськими енергіями. Жодні зоряні енергії порівняно з ними не йдуть. При цьому вилітають частки - протони, гамма-кванти і, мабуть, нейтрино. Утворюються струмені, які називаються джетами.

Всесвіт, як ми знаємо, не порожній. У ній є магнітні поля. Вони дуже слабкі, але вони є. І вони відхиляють заряджені частки. Тому, наприклад, протон, випущений звідти, досить сильно відхиляється магнітних полях.Те саме відбувається з усіма зарядженими частинками. Ми не знаємо, звідки прийшов той чи інший протон. Фотон, хоч і нейтральний, рахунок квантових ефектів теж трохи відхиляється у цих полях. Нейтрино ж, будучи нейтральною частинкою, що слабко взаємодіє, приходить до нас без відхилень і практично точно вказує на джерело, в якому воно було народжене.

— Але ж ми далеко не завжди знаємо його напрямок…

— Саме тому у всіх нейтринних експериментах дуже важливо відновити напрямок. Саме для цього потрібний Байкальський нейтринний телескоп. Чим більше його обсяг, тим більше ми ловимо нейтрино, і рахунок великого обсягу ми можемо точніше відновити напрямок їхнього приходу. Використовуючи дані інших спостережень, зокрема радіоастрономічних, а надалі і спостереження гравітаційних хвиль, ми зможемо набагато краще зрозуміти, які фізичні процеси відбуваються в глибинах космосу. Такий підхід, що використовує дані різних спостережень, формує новий напрямок, що нині бурхливо розвивається, — багатоканальну астрономію.

— Що дає розташування нейтринного телескопа у глибині озера чи під землею?

— Тут ми спостерігаємо два різні ефекти. Чому під землею? Нейтрино, як ми зрозуміли, проникає через будь-які перепони дуже ефективно. Заряджені частинки – ні. Але є тло, що залишається зарядженими частинками. На нас падають космічні промені у величезній кількості — зокрема сонячний вітер, про що ми навіть не замислюємося, але космічні промені несуть колосальну енергію. Від цього фону потрібно захиститись, щоб не переплутати різні події. Тому нейтринні експерименти проводяться глибоко під землею – земля захищає від космічних променів.

Зокрема, Баксанська підземна обсерваторія спеціально створювалася для цього ще за часів СРСР. Під горою був проритий чотирикілометровий тунель, яким рухаються вагонетки, там працює кілька лабораторій, що здійснюють різного роду наукові дослідження, які вимагають захисту від фону. Будували тунель метробудівці - там навіть є буква "М". Люди працюють у цих лабораторіях у спеціальних чистих шатах, у білих халатах. Чистота вкрай важлива для експерименту — інакше можна принести туди радіоактивні частинки, які також створюватимуть непотрібне тло. І галій-германієвий телескоп, про який я говорю, далеко не єдина установка.

Тепер чому під воду? Тут техніка експерименту дещо інша: там ловлять не самі нейтрино, а так зване черенківське випромінювання. Що таке? Летить нейтрино, воно проходить крізь Землю і в тому числі крізь товщу води. Іноді дуже рідко воно взаємодіє з ядрами. Якщо це нейтрино дуже високої енергії, то в результаті народжуються частинки з дуже високими енергіями, що рухаються майже зі швидкістю світла у вакуумі. А швидкість світла у воді нижча, рази на півтора. Якщо заряджені частинки рухаються з більшою швидкістю, ніж швидкість світла серед, вони випромінюють світло. Ефект повністю аналогічний виникненню звукової ударної хвилі від, наприклад, літака, що рухається швидше за швидкість звуку. Це світло називається черенківським випромінюванням - на прізвище Павла Олексійовича Черенкова, який за відкриття цього явища, ефекту Вавілова - Черенкова, став Нобелівським лауреатом (1958 року, разом з І. Є. Таммом та І. М. Франком. - Прим. ред. ). Власне, реєструється світло – фотони, що летять від частинок.Відповідно, щоб їх побачити, потрібна чиста, прозора вода. Інакше сигнал поглинеться — і ми нічого не побачимо. А у прозорій воді чи у льоду зареєструвати випромінювання можливо. В принципі, можна, звісно, ​​реєструвати у склі, але де взяти кубічний кілометр скла? Тому все роблять у воді чи льоду, як в Антарктиді в міжнародному експерименті IceCube, розташованому на американській станції Амундсен-Скотт. Американці бурять гарячою водою у льоду свердловину до 2,5 кілометра завглибшки, вморожують детектори фотонів, схожі на величезні гірлянди, а потім ловлять черенківське світло у льоду. А ця ідея була запропонована радянським фізиком Мойсеєм Олександровичем Марковим, який заснував наш інститут.

Із льодом є свої проблеми. Зокрема, детектори вмерзають у лід, і дістати їх звідти вже не можна. Якщо зламалися — відремонтувати неможливо. Друга проблема – з чистотою. Лід, хоч і прозорий, але має бульбашки. На бульбашках світло розсіюється, що призводить до зменшення точності відновлення напряму та енергії.

У воді ж бульбашок немає, і можна полагодити апаратуру, якщо є необхідність. На Байкалі ми регулярно дістаємо з води гірлянди телескопа, робимо якісь деталі, чистимо поверхню. Немає проблем із прозорістю води та обслуговуванням телескопа.

— Але ж у байкальській воді живуть різні організми. Вони не заважають проводити експерименти?

— Так, живність там є, і вона теж світиться, але ми навчилися її засікати та відсівати зайві «шуми». На глибині, куди поринають струни детекторів, від 700 метрів до 1,5 кілометра, зовнішні фотони вже не прилітають. Залишається лише внутрішнє світіння, але з цим чинником ми успішно працюємо.А заразом займаємося моніторингом байкальської води, зокрема, її екологічним станом.

— Нейтринні дослідження на Байкалі почалися ж у 1980-х роках.

— Цей експеримент, який проводили під керівництвом члена-кореспондента РАН Григорія Володимировича Домогацького, спочатку була побудована одна струна телескопа, потім її доповнили такі поступові дослідження, щоб поступово прийти до нинішнього мегапроекту. , пов'язані з байкальською екологією, з чистотою води. Токів у воді, який досі багато в чому залишається загадкою для вчених. Були проведені перші вимірювання потоків нейтрино, відпрацьовані технології обробки даних. галактик і ми дізнаємося, чи народжуються ці нейтрино саме у цих ядрах.

Фізичних механізмів виробництва нейтрино високих енергій не так вже й багато, і питання, чи проводяться такі нейтрино в джетах ядер, залишається відкритим. Нейтринні результати використовуються спільно з даними радіоастрономії. ми отримаємо повну картину того, що відбувається.

— Необхідність будувати такий телескоп пояснюється саме тим, що ви хотіли охопити все небо?

— Ні, великий телескоп потрібен для того, щоб точніше реєструвати потоки нейтрино.Здавалося б, зовсім небагато. Але з погляду фізики чимало. Ми набиратимемо статистику, збільшуватимемо точність визначення напрямку та енергії, і це стане поворотним моментом у всій сучасній астрофізичній науці. Ми чекаємо тут на великі прориви.

— Чи мають нейтринні дослідження якийсь прикладний вихід, чи це суто фундаментальне завдання?

— Можна дивитись на це по-різному. У 80-х роках ХІХ століття Герц відкрив електромагнітні хвилі. Проводячи експеримент із двома кулями, він отримав між ними електричну іскру, обурення від якої було зафіксовано віддаленим детектором. З цього приводу він написав, що явище може бути цікаве студентам, але взагалі нічого фундаментально важливого воно собою не є. Минув час. І зараз ми не мислимо свого існування без електромагнітних хвиль. Радіо, телебачення, мобільний зв'язок — це електромагнітні хвилі.

Нейтрино з його всепроникними властивостями у сенсі аналогічно за широтою можливостей. Скажімо, за допомогою нейтрино можна просвітити Землю та дізнатися, що в неї всередині. З'ясувати її сейсміку, навчитися з високою точністю прогнозувати землетруси. За допомогою нейтрино можна розвідувати корисні копалини, досліджувати планети та Сонце. За спектром нейтрино можна дізнатися, що відбувається всередині ядерного реактора на атомних електростанціях, що там ділиться, які речовини, загасає він чи ні. Можна контролювати, що виробляють інші країни на своїх реакторах, чи не напрацьовують вони, нерівну годину, збройовий плутоній. Простір тут справді невичерпний.

— У Станіслава Лема в «Солярисі» так звані гості були створені саме з нейтрино, чим і пояснювалася їхня властивість зникати і з'являтися знову.Це чиста фантастика чи подібні сутності можливі інших планетах, на вашу думку?

— На мою думку, це чиста фантастика. Ми розуміємо життя як явище високо організоване. Нейтрино взаємодіють настільки слабо, що я не можу уявити, щоб вони склеїлися хоч на якийсь час. Інакше кажучи, якби такі «гості» з'явилися, вони тут же зникли б, не зумівши проіснувати і частки секунди, оскільки у разі нейтрино не виникає помітного тяжіння між частинками. Навряд чи в них могла бути записана якась інформація. В інших фантастичних творах зображувалося фотонне життя — все це звучить дуже привабливо, але уявити подібні форми життя в наших умовах неможливо. А фантазувати про інші умови можна довго.

— Максиме Валентиновичу, пропоную від нейтрино перейти до протону — частки, прикладне використання якої очевидне, зокрема, в галузі медичної фізики. Протонною терапією раку активно займаються у всьому світі, і в нашій країні є установки, на яких лікують пацієнтів. Чи в Інституті ядерної фізики розробили нову технологію протонної терапії?

— Лікування раку за допомогою опромінення було запропоновано у середині минулого століття. Існує традиційна променева терапія - опромінення гамма-квантами чи електронами. І є протонна терапія. У чому її головна особливість? Справа в тому, що протон, з погляду фізики мікросвіту, дуже важка частка. По суті це ядро ​​атома водню, яке можна розігнати, і коли він потрапляє в речовину, він починає випромінювати і втрачати енергію. Основну частку енергії він випускає, коли майже зупиняється.Тобто ми можемо взяти протон, підібрати йому енергію, тому він, потрапляючи на якийсь об'єкт і пролітаючи його, наприкінці свого шляху гальмує і випалює все, що там. Якщо це ракова пухлина, він вбиває її чи робить те, що ракові клітини перестають ділитися. А решта залишається непораженим. Результат зараз добре прораховується, і такий постріл може бути дуже точним.

Це звичайна протонна терапія, яка дійсно розвивається у всьому світі. Проблема тут у тому, що пацієнта треба опромінювати кілька разів, оскільки енергії, що виділяється за один сеанс, виявляється недостатньо для знищення пухлини. Лікування вимагає часу, якого в онкологічних пацієнтів часто немає.

Останнім часом у світі почала розвиватися так звана флеш-терапія, від англійської flash - блискавка, спалах. Створюють досить інтенсивний пучок протонів, який за частки секунди виділяє всю свою енергію. В цьому випадку за один сеанс можна випалити всі ракові клітини або припинити їх поділ. На Заході вже розпочалися клінічні дослідження протонної терапії такого типу.

Наприкінці минулого року ми створили технологію ультра-флеш-терапії. Вона зараз досліджується на культурах ракових клітин. Ідея в тому, щоб виділення енергії відбувалося ще швидше - за кілька мілісекунд, але при цьому енергію залишити ту ж чи навіть зробити ще більше. Власне, вся енергія протона виділяється миттєво. Наші дослідження показують, що такий підхід набагато ефективніший, ніж звичайна флеш-терапія.

— Чому ніхто в світі раніше не додумався?

— Тому що наш лінійний протонний прискорювач у Троїцьку дотепер є єдиним свого роду в Євразії.На звичайних протонних прискорювачах — синхротронах — такий ультракороткий спалах отримати не можна. По-перше, наш прискорювач має феноменальну потужність, хоча енергії його не найбільші. Для порівняння, енергія Великого адронного колайдера в ЦЕРНі в 10 тисяч разів більша. Але інтенсивність протонного пучка там порівняно мала, бо завдання там вирішуються зовсім інші. У нас дуже великий струм — тобто дуже багато протонів прискорюється в одиницю часу. Завдяки цьому можливі ефекти ультрашвидкого виділення енергії, які можна успішно використовувати в медицині, хоча є й інші прикладні завдання, які ми теж вирішуємо. А по-друге, на нашому прискорювачі можна регулювати тривалість імпульсу, скорочуючи час на пухлину.

Сподіваюся, незабаром розпочнуться випробування на тваринах, потім клінічні дослідження на людях. Якщо все підтвердиться, то розпочнеться нова ера у лікуванні раку. Для широкого застосування нашої технології потрібно буде розробити нові протонні прискорювачі за аналогією з нашим прискорювачем у Троїцьку, але спрямовані на вужче медичне завдання.

— Тобто нейтринні дослідження відкривають нову еру у пізнанні космосу, а протонні дослідження створюють нові можливості у терапії раку. А що складніше — дізнатися про таємниці Всесвіту чи перемогти рак?

— Питання філософське. Рак - одна з таємниць Всесвіту, як і взагалі людина. Тому, мабуть, пізнання Всесвіту — складніше завдання просто тому, що він включає пізнання природи людини, яка при всіх успіхах біологічних, медичних, гуманітарних наук залишається надзвичайно непростою і далекою від рішення. Ще давні греки казали, що пізнання безмежне.Ми доходимо до якогось рівня, досягаємо обрію — нам відкривається новий обрій. Ми робимо все нові й нові кроки за обрій, розсовуючи його. У цьому сенсі фізика дає величезні можливості, але залишає не менше підстав для роздумів. Та ж квантова фізика ми знаємо, як можна щось у її рамках обчислити, але не розуміємо, чому це працює. Так само ми знаємо дуже багато про людину, але не розуміємо самого феномена життя.

• Які проблеми фізики та астрофізики видаються зараз, на порозі ХХI століття, особливо важливими та цікавими?
• Які проблеми фізики та астрофізики видаються зараз, на порозі ХХI століття, особливо важливими та цікавими?
• НОБЕЛІВСЬКІ ПРЕМІЇ 2002 РОКУ. Всесвіт у рентгенівських променях та потоках нейтрино
• «Оборотні» мікросвіту
• Нейтріно
• Нейтрино (частина 2)
• Нейтрино: учора, сьогодні, завтра
• Космічні нейтрино високих енергій народжуються квазарами
• Полювання за стерильним нейтрино