Григорий Рубцов: Поиск нейтрино ведет к загадкам нестандартной модели Вселенной

Гости
Григорий Рубцов
заместитель директора Института ядерных исследований РАН

Ольга Орлова: Нейтрино (по-итальянски - "нейтрончик") – частица, которая впервые появилась в 1930-е годы в теоретических работах Энрико Ферми и Вольфганга Паули. С тех пор изучением нейтрино занимаются десятки групп по всему миру. За нее несколько раз давали нобелевские премии. Какую роль эта маленькая частица играет в современной картине мира? Об этом по гамбургскому счету мы решили спросить доктора физико-математических наук, заместителя директора Института ядерных исследований Российской академии наук Григория Рубцова.

Здравствуйте, Григорий. Спасибо, что пришли к нам в студию.

Григорий Рубцов: Здравствуйте, Ольга.

Григорий Рубцов, родился в 1981 году в городе Долгопрудный Московской области. В 2004 году окончил физический факультет МГУ имени Ломоносова. В 2007 году защитил кандидатскую диссертацию по теме "Статистические методы исследования широких атмосферных ливней". С 2004 года работает в Институте ядерных исследований Российской академии наук. В 2016 году получил степень доктора физико-математических наук. Автор более 70 научных публикаций в области космологии и астрофизики элементарных частиц. С 2008 года участвует в ежегодных сеансах наблюдения обсерваторий Telescope Array, проводимых российской группой. Член международного программного комитета обсерваторий Telescope Array. Награжден медалью Российской академии наук и премией для молодых ученых в области ядерной физики за работу "Исследование химического состава космических лучей ультравысоких энергий". Лауреат премии правительства Москвы молодым ученым.

О.О.: Григорий, ваш институт, Институт ядерных исследований, является одним из ведущих центров не только в стране, но и в мире по изучению нейтрино. И если мы с телезрителями наберем в любом поисковике "нейтрино", то мы увидим, какое количество материалов, статей, фильмов, сюжетов обязательно с такими таинственными названиями: "Призрак нейтрино", "Солнечный призрак". Вообще вокруг нейтрино очень много всякой романтики, пожалуй, как вокруг в кварков, которые beauty и так далее. Вот есть такой целый шлейф романтических образов. Почему эта частица так волнует современных физиков? Почему столько групп в мире этим занимается и, в конце концов, столько нобелевских премий?

Оказалось, что Стандартная модель описывает не все явления, которые есть. Например, темную материю 

Г.Р.: Нейтрино – очень загадочная частица. И она сама несет такие загадки. Но для ученых это в первую очередь надежда разгадать другие загадки, которые многие годы остаются неразгаданными. Дело в том, что сейчас, после того как на Большом адронном коллайдере открыли последнюю частицу Стандартной модели – скалярный бозон Хиггса, Стандартная модель оказалась практически полной. То есть все частицы, предсказанные Стандартной моделью, открыты. Однако оказалось, что она описывает не все явления, которые есть. Например, темная материя не описывается Стандартной моделью.

О.О.: То есть, с одной стороны, представление о том, как устроен наш мир, Стандартной моделью вроде бы все правильно, но, с другой стороны, мы не объясняем все.

Г.Р.: Да, точно. И поэтому надо пытаться найти какие-то зацепки, новую физику. И вот нейтрино, оказывается, та частица, которая не полностью объясняется Стандартной моделью. В частности, масса нейтрино и осцилляция нейтрино находятся за пределами Стандартной модели, хотя они, безусловно, экспериментально обнаружены. И ученые надеются, что за нейтрино можно, как за хвост, вытащить новую физику, которая нам интересна и объяснить явления, которые еще не объяснены.

О.О.: А как так получилось? Ведь нейтрино впервые вообще появилось в предсказании физиков очень давно, то есть в 1930-е годы. И прошло столько времени. И до сих пор за ней, как за призраком, гоняются, как пишут журналисты сейчас, "В поисках нейтрино", "В погоне за нейтрино". Что мешает? Нет подходящих приборов, нет необходимого технического развития, чтобы взять и вообще прояснить ситуацию с этой частицей?

Г.Р.: Как раз про приборы и про техническое развитие будем говорить. Но нейтрино спокойно проходит сквозь материю, не взаимодействуя.

О.О.: Это ее главная свойство, то, что она проходит…

Г.Р.: Это то, почему ее не сразу открыли. Сначала вообще не верили в то, что ее можно будет когда-то открыть. Но оказалось, что смогли открыть, потому что она проходит через материю не всегда, а только в 999 999 случаях из 1 000 000. А в одном случае она все-таки может в объеме Земли провзаимодействовать и обнаружить себя. Поэтому, для того чтобы ее зарегистрировать, нужны большого объема детекторы, которые работают длительное время.

О.О.: А ведь нейтрино бывают разного происхождения, правильно? Ведь разные источники могут быть. Например, есть солнечные нейтрино, пульсары, сверхновые. От чего зависит, кто является источником нейтрино?

Г.Р.: Да. Нейтрино на самом деле наполняет наш мир. И они разного происхождения. Есть атмосферные нейтрино, которые в атмосфере рождаются. Есть нейтрино от радиоактивных распадов. Причем, как от естественных распадов, которые происходят в Земле, так и от атомных реакторов. Также есть нейтрино от Солнца, потому что Солнце – это термоядерный реактор. И есть нейтрино от более энергичных объектов. От пульсаров, которые в принципе достаточно мощные. И также от активных ядер галактик, для нас очень далеких объектов, но очень мощных.

Но мы и те, и те нейтрино еще пока что не зарегистрировали. Потому что от далеких объектов поток ослабевает с расстоянием. Мы зарегистрировали пока атмосферные нейтрино, реакторные нейтрино, солнечные нейтрино и нейтрино сверхновой 1987А.

О.О.: Чем дальше объект, тем тяжелее от него нейтрино поймать, правильно?

Г.Р.: Дело в том, что поток ослабевает. Но если источник очень мощный, такой как, например, активное ядро галактики, то есть надежда все равно, потому что мощность его огромна.

О.О.: Скажите такую вещь. Если нейтрино, например, от Солнца или нейтрино от сверхновой, предположим, свойства у него одинаковы? То есть когда вы регистрируете это нейтрино, вы видите, сильно ли они отличаются между собой?

Г.Р.: Тут есть несколько моментов. Во-первых, нейтрино от сверхновой приходят в определенное время – во время взрывов сверхновых с определенного направления. Также солнечные нейтрино тоже приходят в направлении от Солнца. Но, кроме того, они отличаются энергией, потому что известно, что солнечные нейтрино – это нейтрино термоядерного цикла (цикла синтеза материи из протонов) и у них известна энергия и известен спектр. Он порядка 1 МэВ, а от сверхновой – порядка десятков МэВ. А от далеких объектов это могут быть и более энергичные нейтрино.

О.О.: Вы говорили, что нейтрино – это такой маленький-маленький туннельчик, окно в другую физику. А вот какая другая физика? Что с этим связано? Какие именно задачи может помочь нейтрино разгадать?

Г.Р.: Если мы думаем, что нейтрино приобретает массу… Дело в том, что у нейтрино обнаружена масса. И это Нобелевская премия 2015 года. И если она имеет массу, то эта масса не связана с механизмом Хиггса, который дает массу всем другим частицам Стандартной модели. И эта масса должна быть получена каким-то другим механизмом.

Поэтому этот механизм может включать в себя другие частицы. Может быть целый класс новых частиц.

О.О.: О которых мы просто пока не знаем, да?

Г.Р.: И которые нам пригодятся, для того чтобы решать проблему темной материи, проблему барионной асимметрии и другие такие проблемы, которым много лет.

О.О.: То есть если мы знали, что за массу вещества в Стандартной модели отвечает бозон Хиггса, то в тех случаях, когда мы выходим за рамки Стандартной модели, то там за массу вещества может отвечать нейтрино, и, может быть, и связаны с другими классами частиц, о которых мы пока не знаем.

Мне кажется, очень многим нашим телезрителям как-то очень тяжело понять такую вещь, как… Что значит Стандартная модель? Она что, где-то заканчивается? А дальше начинается нестандартная модель? Вы можете нам как-то пояснить, вообще над чем вы бьетесь? Как такое может быть, что до определенного момента мой мир и ваш мир описан в рамках Стандартной модели. А потом что начинается?

Г.Р.: Дело в том, что Стандартная модель основана на очень красивой идее: что весь мир подчиняется симметрии. И есть определенные группы симметрии, которым подчиняются все частицы. И они все вписаны в таблице, математическом представлении этой группы. И другие частицы туда вписать просто нельзя, потому что будет нарушена симметрия. Поэтому когда мы вписали все частицы, мы были довольны, потому что получилась…

О.О.: Стройная картина мира.

Г.Р.: И стройная, и законченная. И последнюю частицы (бозон Хиггса) обнаружили. Поэтому когда стало известно, что у нейтрино есть масса, стало ясно, что картину надо как-то дополнить. Но как? Очевидного варианта нет. Это потребует ее нетривиального расширения.

О.О.: Давайте тогда поговорим о ваших коллегах, которые из вашего института ведут уже много лет изучение нейтрино, ловят нейтрино в Баксанской обсерватории на Кавказе. Вы сейчас расскажете, какие виды нейтрино там регистрируют, за кем охотятся. И в 2017 году исполняется 50 лет Баксанской обсерватории.

Г.Р.: Это очень значимое событие для всех нас. И Баксанская обсерватория – это первая подземная обсерватория, которая специально строилась для того, чтобы обнаружить нейтрино. Туннель был построен специально для того, чтобы зарегистрировать нейтрино. И я расскажу про два эксперимента, которые нацелены на поиск нейтрино. Первый, самый знаменитый – это галлий-германиевый нейтринный телескоп, который обладает уникальной чувствительностью.

Дело в том, что он основан на таком процессе. В нем находится 40 тонн галлия. Когда его создавали, это был очень редкий элемент. Сейчас он используется в авиационной промышленности. И нейтрино, проходя через это вещество, может превратить галлий в германий. Это процесс, обратный распаду. И самое удивительное, что разработаны методы, которые позволяют выделить и сосчитать 5 атомов германия в 40 тоннах галлия.

О.О.: Это же невероятно. 5 атомов в 40 тоннах! И это можно посчитать?

Г.Р.: Да. Для этого сделал специальный радиохимический метод. То есть производится некая обработка, в результате которой получается газ, в котором эти атомы содержатся. И дальше они попадают в распадный объем и ждут, пока эти атомы распадутся. Когда они распадаются, их считают. Каждый месяц делается изучение и считают количество атомов. Таким образом, галлий-германиевый нейтринный телескоп наблюдает за солнечными нейтрино уже больше 20 лет непрерывно.

О.О.: А как часто происходит регистрация? Что значит непрерывно?

Г.Р.: Это значит, что каждые 2 месяца делается изучение. И там десяток событий.

Чем еще интересны нейтрино в данном контексте? Представьте себе, что термоядерный реактор Солнца остановится вдруг. Может быть, уже остановился.

О.О.: Да, да. Нам об этом рассказывают по некоторым телевизионным каналам. Мы регулярно слышим этот сюжет.

Г.Р.: На самом деле, конечно, в науке это гипотетически, потому что мы не знаем, с одной стороны, такой модели, в которой бы он остановился, но мы должны признать, что мы знаем, конечно, не все про Солнце. Но если гипотетически предположить, что он остановится, то свет от Солнца мы будем еще сотни тысяч лет наблюдать. Потому что из центра Солнца он выходит более 100 000 лет. А нейтрино мы перестанем наблюдать уже в следующем изучении. В течение месяца мы поймем, что солнечных нейтрино уже нет. И таким образом мы благодаря галлий-германиевому телескопу, во-первых, знаем, что Солнце работает с термоядерным механизмом.

О.О.: И что с реактором все в порядке.

Г.Р.: И что работает до сих пор. И за солнечные нейтрино дали нобелевскую премию в 2002 году. К сожалению, наши ученые не вошли в число лауреатов. Тем не менее, их вклад был ключевым в исследование солнечных нейтрино.

О.О.: А другой эксперимент, который идет на Баксане. Вы говорили, что галлий-германиевый - это из первых экспериментов, который начинался.

Г.Р.: В самом начале Баксанская обсерватория содержала в себе несколько экспериментов и еще проект на будущее, который мы сейчас реализуем. А другой эксперимент – это баксанский подземный сцинтилляционный телескоп. Он нацелен на нейтрино более высоких энергий. И он известен тем, что он зарегистрировал 8 нейтрино от сверхновой 1987А. Это был один из нескольких в мире телескопов, который зарегистрировал нейтрино от этой сверхновой. И до сих пор изучают наследие этой сверхновой. И что мы, физики, поняли по ней.

О.О.: Давайте мы покажем нашим телезрителям один фрагмент. В каких условиях, в каких красотах, вообще где находится эта Баксанская обсерватория. Мы показывали нашим телезрителям замечательный фильм "В ожидании волн и частиц" режиссера Дмитрия Завильгельского. И кадры из этого фильма, связанные с Баксанской обсерваторией, мне кажется, было бы очень полезно напомнить, как это выглядит. И там даже поселок, где работают ученые, называется Нейтрино.

Мы видим, что места там очень красивые. Но жизнь все-таки у физиков-экспериментаторов суровая. Вы же там бывали?

Г.Р.: Да, конечно. Это очень красивое место. И оно выбрано учеными нашего института. Само место выбрано Ольгой Георгиевной Ряжской. А потом была построена обсерватория. Тогда это было еще сделано ФИАНом, от которого потом отделился наш институт. Место, безусловно, очень красивое. И работы ведутся на современном уровне в подземелье по всем правилам. Ученые очень воодушевлены тем, что они ищут и что они находят в обсерватории. Я восхищаюсь учеными, которые работают в Баксанской нейтринной обсерватории.

О.О.: Ваши коллеги из вашего института вместе с коллегами из Объединенного института ядерных исследований в Дубне проводите и эксперименты на Байкале. И там совсем другой климат, совсем другая обстановка, совсем другие условия. Но там и другое нейтрино. Потому что там нейтрино астрофизического происхождения вы ищете. Расскажите про эти эксперименты, что там происходит.

Г.Р.: Это очень интересный эксперимент. Тоже очень красивое место. У нас эксперименты все в красивых местах. Нейтрино проходят через всю вселенную, не поглощаясь. То есть мы можем увидеть нейтрино от самых далеких источников, от активных ядер галактик, причем те, которые были очень давно. Сейчас, может быть, уже стали тусклыми. А были активными на заре Вселенной, как с первыми галактиками. И поэтому такие нейтрино более высоких энергий. И для того, чтобы их зарегистрировать, нужен детектор очень большого объема, то есть порядка гигатонны вещества.

О.О.: А как же такой детектор вообще построить и сделать? Это просто массивное сооружение должно быть?

Г.Р.: Да. И Моисей Александрович Марков, один из основателей нашего института, в 1960 году предложил использовать воду как рабочую среду для детектора, то есть погрузить датчики в воду.

О.О.: Я как раз хотела спросить: зачем же вам столько воды? Почему именно Байкал вы выбрали? То есть здесь вода – это не тот подземный слой, когда нужно, допустим, отфильтровать, нужно под землей помещать. А вода – это у вас здесь рабочий элемент, это элемент установки, так?

Г.Р.: Дело в том, что она выполняет обе функции, которые вы назвали. Потому что сначала один километр воды работает как защита от космических частиц, которые являются фоном. А потом километр воды содержит в себе датчики. Он как рабочий объем, в котором нейтрино может провзаимодействовать. Так как нейтрино взаимодействуют редко, чем больше объем, тем больше…

О.О.: То есть Марков нашел просто такое гениальное простое решение?

Г.Р.: Да. Оно было предложено. И дальше получило реализацию. Эксперимент в Средиземном море. Потом модификация – ice Cube. Это во льду Антарктиды. Эксперимент Ice Cube зарегистрировал нейтрино с энергией до 8 пэВ. Это в тысячи раз больше, чем энергия частиц на Большом адронном коллайдере, и в сто раз больше, чем энергия гамма-квантов, то есть фотонов, которые мы здесь регистрировали от астрофизических источников. Что нас удивляет. Потому что фотоны хорошо исследованы во всех диапазонах от инфракрасного, радио до рентгена, до высоких энергий. Тем не менее, нейтрино опережают по энергии сейчас фотоны.

О.О.: Давайте мы посмотрим, как выглядит работа физика-экспериментатора на Байкале, где тоже довольно суровые условия и все это происходит в очень непростых обстоятельствах.

Зачем нужны такие тяжелые вездеходы?

Г.Р.: Тяжелые вездеходы нужны, чтобы доставить детекторы, оборудование на лед. Оборудование – это лебедки (2 км троса), вы видите две из них. Могут оперировать 2 км троса. Вот это видно оптический модуль ("глаз") на тросе. Его прикрепили. И он будет погружаться в данную прорубь на глубину до 2 км.

На одном тросе 16 оптических модулей одним за одним с расстоянием 50 м.

О.О.: Профессиональные водолазы с вами работают?

Г.Р.: Работают профессиональные водолазы. Там есть определенные работы. Например, перед началом экспедиции нужно поплавок вершинного троса поймать и вытащить наверх, чтобы можно было произвести ремонтные работы. Это преимущество эксперимента, что можно провести ремонтные работы, вытащив трос, что нельзя сделать в Антарктиде, например.

О.О.: А почему?

Г.Р.: В Антарктиде тает вода, погружают детекторы, и вода замерзает. После этого сделать ничего нельзя. А на Байкале можно во время другой экспедиции вытащить.

О.О.: На Байкале просто потеплее? Из-за этого, да?

Г.Р.: Сам детектор находится в воде. А в Антарктиде он во льду находится. И из воды легко вытащить, а изо льда вытащить трудно.

О.О.: Никогда не подумаешь, что жизнь ученого может быть такой суровой, требующей такого физического напряжения. Видите, какие все крепкие люди. И все это действительно требует больших не только умственных усилий, но и физических, и мужества, и выдержки.

Г.Р.: Это эксперимент большого объема, большого масштаба. Вы видите – много молодых участвует.

О.О.: Григорий, вы говорили об эксперименте в Антарктиде (Ice Cube). Скажите, а там же вроде бы похожие задачи. Зачем нужно дублировать? Ведь это же все очень дорого. Здесь лед, там лед. Здесь суровые, там суровые. Специальная аппаратура, тяжелая техника и так далее. Зачем?

Г.Р.: Да, это большие усилия. Но дело в том, что, во-первых, физики никогда не доверяют результату одного эксперимента. Могут быть какие-то неконтролируемые факторы. И всегда хочется подтвердить в другом эксперименте. Но, с другой стороны, Ice Cube, находясь на Южном полюсе, видит нейтрино, которые проходят сквозь Землю с севера. Потому что Земля тоже используется как фильтр нежелательных частиц. А Байкальский, находясь в Северном полушарии, видит нейтрино, приходящие с юга. Поэтому мы видим разные части полусферы. То есть, чтобы построить полную картину, обнаружить источники, нам нужно видеть всю небесную сферу. Это с одной стороны.

Байкал обладает более точным, высоким угловым разрешением, чем эксперимент Ice Cube

С другой стороны, чтобы определить источники (чего пока не получилось) и построить модель (чего пока не получилось), нам нужно хорошее угловое разрешение. И Байкал обладает более точным, высоким угловым разрешением, чем эксперимент Ice Cube.

О.О.: Можете ли вы взять на себя такую смелость и сделать какой-нибудь прогноз во времени, сколько вам, вашим коллегам (я даже не имею в виду именно в вашем институте), вообще тем группам, которые занимаются нейтрино во всем мире, сколько вам понадобится времени, чтобы все-таки прорваться в другую физику и совершить такой качественный прорыв в изучении нейтрино, когда бы вы действительно заговорили о новом классе и так далее? Как вы думаете? Есть вероятность, что это может случиться ближайшие 5 лет, или все-таки это настолько завязано на разных технических делах, что это не вопрос ближайших лет, а это 20, 30, 50? Вообще элемент интриги, неожиданности здесь есть?

Г.Р.: Вы знаете, трудно делать такие предсказания. Потому что большинство открытий были неожиданными.

О.О.: Рискните. А вдруг ваши предсказания сработают?

Г.Р.: Вы знаете, когда Ice Cube обнаружил нейтрино, эти нейтрино с такими энергиями были неожиданностью. И он был нацелен на другой диапазон, в котором нейтрино не нашли, а нашли в этом диапазоне. И это оказалось неожиданностью. И до сих пор нет объяснений. И поэтому каждые три года мы рассчитываем, что ближайшие три года мы сделаем этот прорыв. А байкальский эксперимент уже работает, первый кластер уже работает. Весной будет второй кластер. И поэтому каждый год в данных экспериментах может быть обнаружено что-то новое. И может произойти какое-то открытие, как произошло с гравитационными волнами.

О.О.: То есть замечательно то, что это все-таки не вопрос 50 или 100 лет, а это вопрос, может быть, ближайших лет. И у нас и наших телезрителей есть шанс в ближайшие годы снова увидеть вас в студии, когда вы придете и будете рассказывать о том, что уже случилось.

У нас в гостях был доктор физико-математических наук, заместитель директора Института ядерных исследований Российской академии наук Григорий Рубцов.

 

Частица нейтрино впервые появилась в 1930-е годы в теоретических работах физиков Паули и Ферми. С тех пор ее изучением занимались десятки лабораторий по всему миру