Баксанская нейтринная обсерватория Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН находится в сердце Кавказа недалеко от горы Эльбрус и врезается внутрь скалы на четыре километра. Это первая и одна из двух ныне существующих больших подземных обсерваторий. Вот уже почти полвека в ней добывают удивительные знания о Вселенной и физике частиц.

Установка «Ковёр», что под горой Андырчи в Баксанском ущелье, недавно зарегистрировала след, вероятно, очень энергичного космического фотона (гамма-кванта) и наделала тем самым много шума в научном мире. При установке живёт молодой кот Адрон.

Иногда он не прочь оторваться от игр с электроникой, на которую поступают данные с детекторов, чтобы помурлыкать на руках младшего научного сотрудника Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН Виктора Романенко.

Адрон – так называются большие частицы, из которых состоят ядра атомов: протоны и нейтроны, отсюда же второе слово в «Большом адронном коллайдере».

Раньше на «Ковре» жил ещё кот Мюон, но он ушёл работать в магазин в соседнем городке Тырныаузе. Мюон – тоже не простое кошачье имя. Как и фотон с адроном, это название элементарной частицы, которая играет большую роль в нашей истории. Причём она играет свою роль и когда она есть, и когда её нет.

Культ качества данных

Вечером 9 октября Сергей Троицкий, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник ИЯИ РАН, написал коллегам-экспериментаторам в Баксанскую нейтринную обсерваторию, что в небе происходят интересные события и надо бы внимательно посмотреть данные. Интересным событием оказался мощный гамма-всплеск в созвездии Стрела, который первым обнаружил орбитальный телескоп Fermi (для него это было самое высокоэнергетическое событие за всё время наблюдений).

Таким образом, точное время и примерное направление в небе были известны. Виктор Романенко с коллегами задали область поиска и обнаружили, что сюда, в Баксанскую обсерваторию, в течение трёх часов после первой регистрации на орбите пришёл ливень из частиц, который мог вызвать фотон фантастической энергии – на порядок больше, чем частицы, зарегистрированные коллегами.

Предположительный фотон мог иметь энергию 251 тераэлектронвольт (ТэВ) – источников фотонов таких энергий на Земле не существует. Даже рекордные энергии частиц в самом мощном ускорителе, построенном людьми, Большом адронном коллайдере, не достигали 7 ТэВ. Но в космосе есть ускорители и посильнее.

Гамма-всплески – результат грандиозных космических катастроф с участием нейтронных звезд, чёрных дыр или того и другого сразу. Наблюдать предельно сильный космический взрыв с жёсткой радиацией очень интересно, но лучше издалека. К счастью, такое происходит несколько раз в миллион лет в расчёте на одну галактику.

Нынешний кандидат в фотоны задал учёным загадку. Если столь мощную частицу породила катастрофа в далёкой галактике, непонятно, как она могла пронести свою энергию, не растеряв по пути. Это невозможно, расстояния огромные. А если из нашей галактики, непонятно, что за чудо стало причиной этого явления.

Теоретики принялись строить гипотезы – от обнаружения магнетара, бешено вращающейся нейтронной звезды, до нарушения базовых уравнений физики. А экспериментаторы начали перепроверять данные.

– Открытие надо перепроверить, чтобы потом не делать великое закрытие. Бывает, что экспериментаторы поспешили, теоретики написали десятки статей, придумали новую частицу. А потом оказалось, что исходные данные были просто ошибкой наблюдения, – говорит Виктор Романенко. – Если долго и кропотливо работать со своим прибором, то можно понять, когда детектор что-то увидел, а когда чудит. В этот раз данные на компьютере выглядели достоверно. Но это только начало проверки.

– Мы не можем утверждать, что зарегистрировали именно фотон. Мы лишь можем сказать, что с такой-то вероятностью это был фотон, – говорит заведующий обсерваторией Валерий Петков. – Вы понимаете, что такое вероятность?

Конечно, на каком-то начальном уровне мы все понимаем: орёл или решка – пятьдесят процентов. Но в данном случае вероятность – это вопрос строгого расчёта, основанного в том числе на теоретической модели. Потому что на самом деле установка не видит никаких фотонов – на элементарных частицах, как ни странно, вообще не написано, как их зовут.

Тогда откуда мы знаем, что прилетело с неба?

Теоретики ездят сюда, в Баксанскую обсерваторию, чтобы понять, что такое физическая реальность, какая слаженная, кропотливая работа множества людей – учёных, инженеров, лаборантов, рабочих – стоит за цифрами, которые могут подтвердить или разрушить самые красивые гипотезы.

– Я тут младший, поэтому с меня рассказы и демонстрация данных, – говорит Виктор и ведёт нас показывать «Ковёр».

Здесь все скромничают, никто не склонен рисоваться перед прессой. На таких больших и уникальных установках работают только в команде, а команда компактная и живёт высоко в горах – здесь, как на межпланетном корабле, не должно быть первых и последних.

А были ли мюоны

Обычно, когда говорят «обсерватория», в голове возникает образ оптического телескопа. Ничего такого здесь нет. Баксанская нейтринная обсерватория – многоцелевая подземная установка, которая состоит из различных детекторов. Например, «Ковёр-2» – это сцинтилляционные детекторы. Они выглядят как чёрные цилиндрические или пирамидальные вёдра с проводами, выставленные рядами под горой. Действительно напоминает ковёр. В бочках уайт-спирит (если это советское поколение детекторов) или пластиковый сцинтиллятор – чувствительное вещество, которое в ответ на попадание частицы испускает квант света соответствующей энергии.

Квант снимают с помощью фотоэлектронного умножителя (выглядит как вакуумная лампа и небольшой кинескоп – кстати, придумали эту штуку в Советском Союзе в 1930-е годы), размножают, а итоговый сигнал уже измеряют приборами, определяя энергию даже единичной частицы. Но какой?

Частица из космоса, если она взаимодействует с веществом и имеет большую энергию, при столкновении с атмосферой рождает ливень, каскад других частиц.

– Эти новые частицы сохраняют направление движения, – рассказывает Виктор Романенко. – Ливень представляет собой плоский компактный диск с распределением частиц от центра к краю.

Если повезло и диск падает на установку, приборы его регистрируют. На компьютере можно увидеть момент прилёта октябрьского ливня частиц. В некоторые бочки-детекторы попало много частиц, здесь был центр, в соседние поменьше, по краям вообще ничего.

Но нормально ли сработали детекторы? Сначала сотрудники обсерватории проверили их осциллографом на электрический сигнал – всё хорошо. Но есть вероятность, что у них мог сбиться коэффициент усиления: каждый фотоумножитель настраивают так, чтобы он измерял точно и одинаково. В качестве эталона используется радиоактивный источник с малой дозой облучения, неопасной для человека. Сотрудник обсерватории буквально руками измеряет отклик. Раз в неделю на установке проводится ремонт – вне зависимости от того, прилетела научная сенсация или нет.

Основные 175 детекторов «Ковра» измеряют энергию ливня частиц.

– Ливни бывают двух типов: электромагнитные и адронные, – поясняет Виктор Романенко. – Каждому типу ливня соответствуют свои процессы.

Адронные (привет, Адрон! Кот как раз вышел на воздух проинспектировать детекторы) ливни порождаются протонами или ядрами атомов, они взаимодействуют с ядрами атомов атмосферы, и в результате появляется много мюонов – тех самых, что дали имя другому здешнему котику. Мюон – заряженная частица, похожая на электрон или позитрон, но толще и массивнее. Нужно ударить по ядру атома чем-то тяжёлым, например протоном, чтобы высечь мюон.

Электромагнитные ливни вызывают фотоны. При столкновении с атмосферой они порождают очень мало мюонов и много электронов с позитронами. Удачно получается: ливни можно различить. Дело в том, что ни одна заряженная частица, кроме мощного мюона, не может преодолеть и двух метров толщи горных пород. Поэтому на установке «Ковёр» есть мюонные детекторы. Они похожи на те, что мы уже видели, но над ними насыпано два с половиной метра грунта, который извлекли из горы, когда делали штольни обсерватории. В момент регистрации интересующего нас ливня на установке «Ковёр-2» не было ни одного мюона. Всё-таки сенсация?

– В одной статье так и написали: «Не было ни одного мюона». Но это... не совсем точно, – говорит Валерий Петков. – Дело в том, что пока работает установка второго поколения, «Ковёр-2», но совсем скоро мы окончательно перейдём на более продвинутый «Ковёр-3». Кроме прочего, в нём заметно больше мюонных детекторов: 410 вместо 175. Раз есть новые детекторы, надо посмотреть, что они показали. А они в те самые наносекунды октябрьского события засекли мюоны – всего пару штук, и тем не менее. Скорее всего, это не делает удивительное фотонное событие существенно менее вероятным, но вероятность надо подсчитать. Для «Ковра-3» ещё не отработана математическая модель.

Гамма-вспышке 9 октября 2022 года, возможно, посвятят целый номер крупного международного физического журнала. Там опубликуют данные с установок, которые её наблюдали, возможно, там будет и первая работа, использующая данные с «Ковра-3». Не исключено, что выйдут статьи о новой физике. Какая тут связь?

В связи с баксанским гамма-квантом заговорили об аксионе – гипотетической частице, одной из возможных составляющих тёмной материи, про которую мы пока не знаем ничего, кроме того, что она преобладает во Вселенной. Название – в честь марки стирального порошка – частице дали весёлые физики: она должна была «отмыть» несовпадение теории с наблюдаемыми данными. Нейтральный аксион большой энергии мог прилететь издалека, ни с чем не столкнувшись, и распасться на два фотона, след одного из которых и поймали в горах Кавказа.

Нейтрино с той стороны Земли

Баксанская нейтринная обсерватория дала начало всей мировой подземной астрофизике.

– В то время никто в мире не мог себе позволить такие грандиозные проекты во имя науки. Только Советский Союз, – рассказывает Валерий Петков. – Даже подземная обсерватория «Гран Сассо» в Италии – это не специально построенная штольня в горе, а ответвление от транспортного тоннеля. В современном мире подобное создают в Китае.

Парадокс. Чтобы увидеть события в небе, люди спустились глубоко под землю. Только там может быть достигнут чрезвычайно низкий уровень радиации, необходимый для ключевых исследований в области нейтринной физики и экспериментов, направленных на поиск редких событий в физике элементарных частиц. Иными словами, в здешних подземельях не может быть никаких частиц, кроме чего-то совсем уж особенного.

Махти Кочкаров – ключевая фигура в лаборатории подземного сцинтилляционного телескопа (ПСТ). Он своими руками проверяет все 384 сцинтилляционных детектора. Махти показывает нам вход в астрофизическое сердце горы, вернее, два входа – в основную и вспомогательную штольни протяжённостью более 4000 метров. Над входом в основную красуется буква «М» – подарок бакинских метростроевцев, проложивших эти туннели.

До самой ближней лаборатории ПСТ идти недалеко, так что добираемся пешком, а не в вагончике электропоезда. В штольне сухо и свежий воздух благодаря вентиляции. Во вспомогательной штольне даже недалеко от входа уже значительно теплее и часто стоит туман. Ну а в центре горы вообще под сорок – с глубиной температура горных пород и связанных с ними жидких и газообразных субстанций растёт, горняки это хорошо знают: в глубоких шахтах всегда жарко. На глубине один километр тридцатиградусная жара – нормальное явление, глубже температура ещё выше.

Подземный сцинтилляционный телескоп представляет собой четырёхэтажное здание высотой больше 11 метров и основанием площадью 16,7 на 16,7 метра. Блоки, из которых собрано здание, выполнены из низкорадиоактивного бетона на основе магматических горных пород (дунитов) и имеют толщину 80 сантиметров. Внутри – детекторы частиц. Ловят они, как следует из названия обсерватории, нейтрино.

Дело это очень непростое, поскольку нейтрино практически ни с чем не взаимодействуют. Через каждый квадратный сантиметр нашего тела каждую секунду пролетает шестьдесят миллиардов этих частиц, а мы ничего не замечаем! Чуть менее века назад их существование робко («Лучше об этом не думать, как о новых налогах») предположил физик Вольфганг Паули, чтобы спасти закон сохранения энергии при ядерной реакции бета-распада. Он решил, что должна существовать нейтральная частица с нулевой массой, способная уносить избыток энергии.

Реакция обратная той, что удивила Паули, – обратный бета-распад – явление редкое, но благодаря ему нейтрино всё же можно иногда поймать. В ПСТ ловят высокоэнергетические мюонные нейтрино из далёкого космоса, а не электронные, которые рождаются в солнечных ядерных реакциях.

– Мюонные нейтрино движутся снизу вверх, пролетают сквозь Землю и с какой-то вероятностью при столкновении с веществом порождают мюоны. Их-то и регистрируют наши детекторы, – объясняет Махти Кочкаров.

– А что мешает им лететь сверху?

– Нет, они, конечно, отовсюду летят, – улыбается Махти. – Просто снизу они прилетают примерно раз в неделю, а сверху – 17 раз в секунду. Сверху большой шум, мы не можем отличить мюонное нейтрино от мюонов космических лучей.

– А как отличить частицы, которые летят снизу вверх, от шума – нейтрино, которые движутся сверху вниз?

– По порядку срабатывания детекторов. Если летят снизу, сначала срабатывают нижние.

Потом Махти ведёт нас в святая святых – зал, где стоят внутренние детекторы. Они спроектированы так, чтобы не регистрировать ничего, кроме нейтрино, возникающих в результате коллапса сверхновой звезды.

– И как часто вы ловите коллапсные нейтрино?

– Пока такое было один раз, в 1987 году.

23 февраля 1987 года взрыв звезды в Большом Магеллановом облаке, совсем недалеко от нашей галактики, зарегистрировали четыре обсерватории: советско-итальянская LSD под горой Монблан (построенная с учётом опыта работы Баксанской нейтринной обсерватории), собственно Баксанская обсерватория, японская «Камиоканде» и IMB.

– До сих пор публикуются работы, посвящённые этому событию, – рассказывает Валерий Петков. – И Баксанская обсерватория задаёт планку в вопросе качества данных. Недавно вышла статья, где анализировались данные с «Камиоканде», которая зарегистрировала меньший приход нейтрино, чем мы. Так вот, на измерения в Японии повлиял технический сбой в сборе данных, так что достоверность наших данных оказалась ещё более высокой, чем мы думали.

В 2019 году здесь готовились к взрыву звезды Бетельгейзе, которая вдруг начала резко тускнеть. От неё ожидается большой поток высокоэнергетических нейтрино, и взорваться она может в любой момент – в любой момент в ближайшие 10 000 лет. Подготовка показала, что ПСТ справится.

Лучше гор могут быть только горы с телескопом

В поселке Нейтрино, где живут сотрудники обсерватории, вечером на улице никого не встретить. Из освещения только звёзды. Когда-то здесь работало пятьсот человек, сейчас двести пятьдесят. В девяностые случилось чудо: несмотря ни на что, костяк учёных сохранился, все многолетние эксперименты продолжились, и в 1995 году на горе развернули новую установку «Андырчи», чтобы регистрировать частицы одновременно с подземным телескопом.

– В 1996-м на конференции во французском Перпиньяне я докладывал о первых данных, полученных на «Андырчи», в сравнении с данными из подземной обсерватории. Это приятно – не просить денег или искать работу, а рассказывать о данных со своей установки, – вспоминает Валерий Петков.

Хорошие публикации многим здесь позволяли найти работу в любой точке мира, но удивительным образом люди привязаны к этому месту. Что здесь так зачаровывает, кроме собственно науки, грандиозного сооружения в горе, к которому относятся как дому, и техники, которую любят как живую?

Один из ответов – горы. Пятнадцать минут на машине до горнолыжного склона, вокруг красивейшие маршруты. За обедом на «Ковре», который происходит тут же, чтобы не отрываться от работы, и который не мог, конечно же, пропустить кот Адрон, речь зашла о горнолыжных склонах. Старожилы вспоминали советские альпклубы, а Виктор Романенко рассказал, что здесь у него исполнились сразу две мечты: работать в науке и научиться кататься на сноуборде.

Минобрнауки России по разным каналам выделяет большие ресурсы на поддержку проектов и развитие установок Баксанской нейтринной обсерватории. Обсуждается в том числе создание сцинтилляционного телескопа нового поколения и масштаба, а также криогенные подземные детекторы, которые помогут найти проявления новой физики: частицы тёмной материи можно искать в том числе по мельчайшим изменениям в поведении сверхпроводника при низких температурах.

В любом случае нас ждёт много данных и много открытий.

Поймать солнечные нейтрино

В трёх с половиной километрах от входа в штольню внутри горы Андырчи в подземной лаборатории глубокого заложения находится огромный зал галлий-германиевого нейтринного телескопа. Солнечные нейтрино здесь ловят пятьдесят тонн расплавленного металлического галлия в семи химических реакторах. В результате захвата галлий превращается в другой элемент – германий, который уже можно химически выделить и понять, сколько и каких нейтрино прилетело от Солнца.

За годы наблюдений накопилось много неясностей, прежде всего это нехватка нейтрино по сравнению с теорией, «галлиевая аномалия». Частично она объясняется наличием у нейтрино массы (Стандартная модель предполагает, что её нет), но не исключается и возможность существования нового типа нейтрино, так называемого стерильного. По результатам эксперимента BEST (Баксанский эксперимент по стерильным нейтрино) может быть объявлено об открытии новой частицы, но пока учёные осторожничают: надо провести дополнительную серию экспериментов.

Удивительно, но в горном подземелье мы услышали больше о новой, невиданной физике, чем в Москве. Что для теоретиков крушение или рождение красивой гипотезы, для экспериментаторов – реальность, данная в информации с детекторов.

Текст: Виталий Лейбин

Материал подготовлен совместно
Российской академией наук
и научно-популярным журналом «Кот Шрёдингера»
(АНО «Центр по развитию технологий будущего»).

Наука из подземелья

Эти комиксы – результат совместного проекта лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова Объединённого института ядерных исследований и артели «Комикадзе», творческого объединения сценаристов, художников, иллюстраторов и популяризаторов науки.

История 1. Новорождённая Земля

На Земле есть места, благодаря которым можно представить, какими были условия 4 миллиарда лет назад, когда планета только сформировалась. Обычно такие места находятся на большой глубине, у вулканических очагов. Одно из них – подземная Баксанская нейтринная обсерватория, построенная Институтом ядерных исследований РАН. Недавно в её тёмные туннели, условия в которых, казалось бы, несовместимы с жизнью, спустились биологи лаборатории ядерных проблем ОИЯИ и умудрились найти там жизнь.

История 2. Если убрать радиацию

Каждый день на нас воздействует радиация. Это естественный фон. Его создают не только микроволновки, смартфоны, гаджеты и бытовые приборы. Радиоактивные лучи летят из космоса. Источники радиации – это горы, деревья, здания. И даже наши тела! А что, если совсем отключить радиацию или хотя бы сильно снизить повседневный уровень излучения? Это полезно или вредно? Чтобы ответить на эти вопросы, биологи лаборатории ядерных проблем ОИЯИ и физики Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН провели в особой низкофоновой лаборатории DULB-4900 глубоко-глубоко под землёй любопытный эксперимент.

Художник: Евгений Федотов.
Автор идеи и сценария: Алёна Лесняк.

Материал подготовлен совместно Российской академией наук
и научно-популярным журналом «Кот Шрёдингера»
(АНО «Центр по развитию технологий будущего»).