27 мая 2014 года
состоялось очередное заседание Президиума Российской академии наук

Члены Президиума заслушали научное сообщение «Астофизика и космология на новом этапе развития физики элементарных частиц

Докладчик член-корреспондент РАН Ткачев Игорь Иванович

Физика элементарных частиц составляет основу фундаментальной физики. Именно она объясняет, из чего состоит наш мир и как, по каким законам, эти составляющие части друг с другом взаимодействуют. Основой же физики элементарных частиц является "Стандартная Модель".

Пятидесятилетняя история ее построения триумфально завершилась открытием бозона Хиггса на Большом Адронном Коллайдере (БАК). Измеренное значение массы Хиггсовского бозона составило 125 ГэВ. С учетом теоретических и экспериментальных неопределенностей, такое значение является выделенным. Если бы масса была меньше, Вселенная была бы нестабильна в стандартной модели. Если была бы больше, существовал бы полюс Ландау и теория не была бы самосогласованной. В обоих случаях это означало бы существование новой физики за пределами стандартной модели, доступной, возможно, уже при энергиях БАК. До запуска БАК открытие такой физики (например, суперсимметрии, дополнительных измерений пространства) с энтузиазмом ожидалось, однако никаких ее проявлений до сих пор не обнаружено и с учетом измеренной массы Хиггса ее обнаружение на БАК не гарантировано.

Развитие фундаментальной физики всегда связано с поисками новой физики. И сегодня мы твердо знаем, что новая физика за пределами Стандартной модели должна быть и возможно в пределах досягаемости для современных экспериментов. Свидетельства этому пришли из космологии и астрофизики. В Стандартной модели нейтрно безмассовая частица, а в природе у нейтрино есть масса. В Стандартной модели нет места также для темной материи во Вселенной. Темная материя это новые, еще не открытые частицы. Вообще, в последние годы космология и астрофизика дает нам все больше фундаментальных знаний об устройстве Вселенной, иногда преподнося настоящие сюрпризы (например, открытие темной энергии). На стыке этих наук, физики частиц, космологии и астрофизики, возникла новая динамично развивающаяся область знания, которая в англоязычной литературе называется "Astroparticle Physiscs". Аналогичного емкого общепринятого термина в русском языке пока еще нет, что подчеркивает молодость этой науки. Сегодня можно сказать, что центр тяжести фундаментальных исследований сместился в Astroparticle Physiscs.

К прерогативе этой науки относятся: лабораторные поиски темной материи; физика низкофоновых подземных лабораторий (астрофизика нейтрино низких энергий, изучение свойств нейтрино, поиск распада протона); неускорительная физика нейтрино; наблюдательная физика (т.е. всеволновая и корпускулярная "астрономия"), а также ряд традиционных задач космологии и астрофизики. В определенной степени вышеперечисленное разделение условно и размыто. Например, определенных кандидатов на роль темной материи ищут в подземных лабораториях и т.п. Современные эксперименты в этой области знания являются дорогостоящими и часто не подъемными для одной страны. Российские институты (ИЯИ, ОИЯИ, ФИАН, ИТЭФ, КИ, ИКИ, МГУ, МИФИ, ФТИ и др.) и ученые полноправно участвуют в большой части соответствующих международных коллабораций. Здесь можно назвать, например: T2K, Opera, KATRIN, Daya Bay, Double Chooz, LVD, Borexino, GERDA, EXO (Нейтринная физика); ANTARES, NESTOR, NEMO (подводные нейтринные телескопы); EDELWEISS (поиск темной материи); Telescope Array (космические лучи); Памела (орбитальные обсерватории), и др. Однако приоритетом здесь все же является развитие соответствующей собственной инфраструктуры. В России здесь есть и опыт и традиции и действующие установки и перспективы. Остановлюсь на наиболее близких к теме доклада и перспективных проектах.

Байкальский нейтринный телескоп. Расположен под водой озера Байкал на глубине 1200 метров, входит в число крупнейших в мире детекторов нейтрино высоких энергий. Такие телескопы уже давно и рутинно регистрируют атмосферные нейтрино. В течение последних двух лет в этой области науки произошел значимый прогресс: антарктическим телескопом IceCube были зарегистрированы первые астрофизические нейтрино высоких энергий и тем самым положено начало настоящей нейтринной астрономии. (Ранее регистрировались лишь нейтрино от Солнца и от вспышки сверхновой 1987А.) Теперь мы уверены в необходимых параметрах будущих телескопов. Планирующееся расширение Байкальского нейтринного телескопа до кубического километра, что увеличит его существующий эффективный объем на два порядка, таким параметрам удовлетворяет. Необходимость его строительства, помимо того, что Байкал находится в другом полушарии, связана еще и со следующим. Детекторы IceCube расположены в толще льда, а Байкал - водный детектор. Поэтому на Байкале можно получить на порядок лучшее угловое разрешение, что совершенно необходимо для целей астрономии.

Баксанская нейтриннная обсерватория. Расположена на северном Кавказе под горой Андырчи на глубине 4 км водного эквивалента. В свое время Галлий-Германиевый эксперимент, проводившийся на Баксане, внес фундаментальный фклад в науку. На основе его результатов стало ясно, что наблюдавшийся дефицит солнечных нейтрино нельзя объяснить изменениями модели Солнца и все дело здесь в новой физике. Как теперь уже твердо доказано, этот дефицит вызван осцилляциями между нейтрино различных поколений вследствие того, что нейтрино имеют массу. Сегодня перспективы развития этого эксперимента связаны со следующим. В последние годы накопился ряд аномалий в различных данных, которые принято называть реакторная, галлиевая и ускорительная аномалии. Имеются также некоторые противоречия в новых космологических данных. Все эти нестыковки можно объяснить существованием новых частиц - правых ("стерильных") нейтрино с массой порядка электронвольта. В настоящее время в мире планируется большое количество различных и конкурирующих экспериментов по проверке этих аномалий. В нашей стране галлиевую аномалию можно исследовать силами Баксанской лаборатории, а реакторную планируется изучать на Калининской АЭС.

Введение правых нейтрино является самым естественным с теоретической точки зрения механизмом для придания нейтрино массы, и тем самым для объяснения наблюдаемых осцилляций. Если правые нейтрино в одном поколении будут обнаружены, это придаст уверенности и в существовании других. Весь вопрос здесь в величине их массы. Если существуют стерильные нейтрино с массой порядка кэв, то тогда они будут составлять темную материю во Вселенной. Следы таких нейтрино можно искать в спектрах бета-распада радиоактивных элементов. Такая программа исследований уже проводится в Троицке. Троицкая установка была создана В.М. Лобашевым для поиска массы электронного нейтрино, и на ней получены лучшие в мире ограничения как на массу электронного нейтрино так на параметры стерильных нейтрино в области масс меньших 100 эВ. В будущем конкурентом нам здесь будет являться строящийся в Германии эксперимент КАТРИН. Получить ограничения на стерильные нейтрино как темную материю, или же ее открыть, можно будет с помощью нового орбитального телескопа Спектр - Рентген - Гамма, запуск которого запланирован в России на 2015 год.

Хотелось бы так же отметить развитие тэвной гамма-астрономии. Нейтринная и гамма-астрономия естественным образом дополняют друг друга. Но с экспериментальной точки зрения гамма астрономия проще и здесь можно быстро получить гарантированные результаты. Не смотря на то что тэвная гамма-астрономия зарождалась в нашей стране, за последние десятилетия мы здесь сильно отстали. Сейчас появился шанс некоторым образом наверстать упущенное. В Тункинской долине планируется расширение существующей установки, которое превратит ее в мульти-тэвную гамма обсерваторию. Здесь следует отметить, что сейчас мировым сообществом планируется строительство решетки чернковских телескопов, CTA. В проекте CTA участвует 194 института из 29 стран мира (Россия не участвует) и он входит в число приоритетных. Научная программа CTA перекрываeтся с Тункой, но Тункинскую обсерваторию можно ввести в строй значительно раньше.

Резюмируя, подчеркну следующее. Симбиоз физики частиц, астрофизики и космологии выходит на первый план в фундаментальных исследованиях. Физика нейтрино занимает здесь особенную роль. В нашей стране есть традиции, экспериментальные установки и потенциал для проведения нейтринных исследований на мировом уровне.

В обсуждении доклада приняли участие:

Ак. Фортов В.Е., ак. Лагарьков А.Н., чл.-к. Домогацкий Г.В., д.ф.-м.н. Бедняков В.А. (ОИЯИ), чл.-кор. Гаврин В.Н. (ИЯИ РАН), д.ф.-м.н. Гильфанов М. (ИКИ РАН), д.ф.-м.н. Скорохватов М.Д. (Курчатовский ин-т), д.ф.-м.н. Панасюк М.И. (МГУ), ак. Рубаков В.А.

 

Члены Президиума обсудили и приняли решения по ряду других научно-организационных вопросов.