Охотники за привидениями: как российские ученые пытаются поймать нейтрино

Принято считать, что ученые исследуют далекий космос с помощью телескопов. И в целом так и есть. Однако во Вселенной существуют настолько далекие от нас объекты, что их не увидеть даже в самый современный оптический прибор. Как же тогда их изучать? При помощи нейтрино.

Нейтрино — невероятно маленькая элементарная частица. Настолько невесомая, что раньше ученые полагали, будто она и вовсе не имеет массы. Да и сейчас споры об этом все еще идут. Нейтрино настолько малы, что путешествуют по Вселенной, проникая через астероиды, планеты и даже звезды, словно призраки, без какого-либо изменения курса. Бесчисленное количество таких частиц проходит через Землю, через нас самих ежесекундно, не оставляя никакого следа.

Если бы ученые имели возможность отслеживать движение этих частиц, они могли бы определить их происхождение и возраст. Это дало бы представление об источниках нейтрино. Но как поймать в ловушку призрака, если мы не во вселенной фильма «Охотники за привидениями»?

Нейтринные детекторы не являются изобретениями нового времени: их создание началось еще в прошлом столетии. Однако существовала проблема: дело в том, что поверхность Земли постоянно подвергается воздействию различных факторов, самые серьезные из которых — свет и радиация. В результате детекторы, расположенные в обычных университетских лабораториях, сбоили и оказывались бесполезны. Ученые решили, что лучше размещать их под землей или… под водой. Но даже здесь выбор местоположения требует особой аккуратности.

На стыке 70−80-х годов XX века под горой Андырчи в Баксанском ущелье Кавказского горного хребта начали работать метростроители. Они соорудили тоннель длиной четыре километра. В нем были оборудованы камеры для экспериментов с нейтрино. Так появилась Баксанская нейтринная обсерватория.

Выбор места неслучаен: густая горная порода отфильтровывает множество других частиц, создавая идеальные условия для «ловли» нейтрино без лишних помех.

Ученые, работающие в лаборатории, живут рядом, в поселке с говорящим названием Нейтрино. По состоянию на 2021 год там проживали более 600 человек, и практически все они связаны с работой обсерватории.

Благодаря особым географическим и климатическим условиям Приэльбрусья исследователи получают возможность проводить свои эксперименты в практически чистых условиях, минимизируя фоновое излучение. Детекторы, установленные на значительной глубине внутри горы, регистрируют даже самые слабые сигналы, принося ценные для науки данные. Этот проект стал магнитом для специалистов со всего мира, превращая поселок Нейтрино в одну из ключевых точек на карте исследований элементарных частиц.

Почти одновременно с Баксанской обсерваторией была построена Артемовская научная станция в городе Соледаре. Ученые нашли уникальное место, чтобы разместить оборудование для изучения частиц, — соляные шахты. На глубине 100 метров был установлен детектор нейтрино массой 105 тонн. Окружение его солевой оболочкой позволило сократить радиационный фон в 300 раз.

Эта замечательная установка проработала многие годы, пережила распад Советского Союза и в 2005-м перешла под опеку Института ядерных исследований Российской академии наук.
В 2021 году власти Украины — скорее всего, под влиянием западных «партнеров», мечтавших захватить установку, — попытались расторгнуть договор. Сейчас Соледар стал районом военных действий. Судьба детектора остается неизвестной.

На глубине 1 300 метров, на дне самого глубокого озера в мире в 2021 году заработала уникальная научная установка — Байкальский нейтринный телескоп, или Baikal-GVD. Это самый масштабный детектор нейтрино в Северном полушарии и второй в мире по размеру после американского IceCube, который находится в Антарктиде. При этом наш детектор не уступает своему «брату» в чувствительности, а вместе они создают отличный тандем: некоторые уголки космоса, скрытые от взгляда IceCube, открываются для Baikal-GVD, и наоборот. В совокупности они покрывают весь астрономический горизонт.

Запущенный на Байкале телескоп стал ключевым этапом в создании всемирной сети нейтринных детекторов. Преимущества этой интегрированной стратегии были быстро доказаны. Например, 14 декабря 2021 года из обсерватории IceCube поступила информация о редком событии: исследователи зафиксировали поток нейтрино, совпавший по времени с наиболее яркой в истории наблюдений вспышкой блазара — активного ядра далекой галактики, которое выбрасывает частицы в сторону нашей Солнечной системы.

Всего через четыре часа такое же взаимодействие зарегистрировал Baikal-GVD. Это стало первым случаем, когда два крупнейших нейтринных телескопа в мире одновременно получили сигнал от одного космического источника. Буквально поймали «призрака» на горячем!

Крайне важно, что выводы ученых, работающих с IceCube и Baikal-GVD, совпадают. Это значит, что изучение нейтрино идет в верном направлении.

Исследования нейтрино относятся к миру фундаментальной науки, то есть их задача — расширение знаний как таковых. Часто на старте таких научных изысканий сложно сказать, какова их конечная цель. Однако значительная часть подобных начинаний со временем становится основой для создания прикладных технологий и продуктов, доступных и понятных широкому кругу людей.

Изучение нейтрино предоставляет возможность глубже проникнуть в тайны Вселенной и может открыть путь к так называемой новой физике — теории, которая призвана объяснить явления, не укладывающиеся в стандартную модель.

Благодаря уникальным свойствам нейтрино в будущем могут быть разработаны, например, средства связи нового поколения и / или детекторы, которые в режиме реального времени смогут анализировать нейтринный спектр атомных реакторов, контролируя их мощность и анализируя их состояние. К слову, над созданием таких инновационных детекторов уже активно работают российские специалисты.

Наука не должна иметь границ. Хотя бы в теории. Как показала история, совместными усилиями ученые из разных стран могут добиться гораздо большего прогресса, чем по отдельности.

В 2022 году немецкие и японские компании прекратили поставку оборудования для проекта Baikal-GVD. Таким образом правительства их стран, вероятно, собирались исключить российских ученых из процесса исследований, максимально осложнить им жизнь.

Не выйдет! Российская промышленность начала активно развивать собственные технологии, решение проблемы уже найдено. При всем внешнем давлении Россия продолжает делать ставку на фундаментальные исследования, продвигая науку вперед. Эти инвестиции в знания, без сомнения, принесут плоды и укрепят репутацию российских ученых на мировой научной арене.

Верь в Россию