Итог холодной войны. Во что ученые превратили озеро Байкал

Российские физики строят в озере Байкал самый крупный глубоководный нейтринный детектор в мире — Baikal-GVD. Он работает в паре с IceCube — масштабным сенсором, установленным в ледяном щите Антарктиды. Вместе они образуют астрономический телескоп нового типа для исследования самых невероятных объектов во Вселенной — активных ядер галактик, квазаров, блазаров. О том, как создавали уникальный инструмент и как он действует, РИА Новости рассказал руководитель проекта, заведующий лабораторией нейтринной астрофизики высоких энергий Института ядерных исследований РАН, член-корреспондент РАН Григорий Домогацкий. Беседовала Татьяна Пичугина.

Как родилась идея детектора на Байкале

Нейтринной физикой я занялся случайно. Шла зима 1964 года, я оканчивал физфак МГУ. Академия наук СССР только что приняла решение о создании Баксанской нейтринной обсерватории и лаборатории нейтрино в ФИАН (Физическом институте имени П. Н. Лебедева). Нас, студентов, готовы были принять туда, сказали — будем заниматься нейтринной физикой. Мы немножко почитали об этом, поспрашивали, я, конечно, уже кое-что знал о нейтрино и согласился.

Я работал под руководством выдающегося физика Моисея Александровича Маркова. Председателем совета Академии наук по нейтрино был Бруно Понтекорво, который предсказал осцилляции этой элементарной частицы. В начале 80-х он предложил мне стать ученым секретарем совета, а когда уехал на родину в Италию, рекомендовал меня на свое место.

В 1960 году Марков первым сформулировал идею использования для регистрации нейтрино больших объемов воды — океанов, подземных озер. В середине 70-х ее попытались реализовать американские физики Фредерик Райнес (будущий нобелевский лауреат, впервые зарегистрировавший нейтрино от реактора) и Джон Лернед. Они пригласили группу советских ученых во главе с Марковым и стали обсуждать строительство нейтринного детектора в океане. Однако после введения советских войск в Афганистан правительство США отказалось финансировать эти совместные работы.

На ученом совете института 1 октября 1980 года Марков сказал, что надо продолжить этот проект, нельзя, чтобы его развитие у нас в стране остановилось. Тогда Александр Евгеньевич Чудаков, замечательный русский экспериментатор, один из тех, кто открыл радиационные пояса Земли на второй советской ракете, предложил сделать детектор в Байкале. Создали под этот проект лабораторию, меня выбрали заведующим. С тех пор так и пошло.

Не слушайте, когда говорят, что не удалось что-то сделать из-за нехватки денег. Найти деньги — самое простое. Надо, конечно, какое-то время на это потратить, но все зависит от того, насколько хороша задача. А наша настолько очевидно хороша — глубоководный детектор нейтрино, — что все с удовольствием помогали в любых условиях.

Нас финансировали Госплан, Государственный комитет СССР по науке и технике, Академия наук. В 1987-м ЦК КПСС и Совет министров приняли постановление, подписанное Михаилом Горбачевым и Николаем Рыжковым, об укреплении материально-технической базы исследований по физике высоких энергии. Выделили очень приличные по тем временам деньги на ускорители — в Новосибирске, Протвино, в ИЯИ в Троицке. Поддержали и наш "Байкал".

Года три мы вольготно жили, покупали все, что было нужно. Потом Советский Союз стал распадаться, возникли трудности, но мы и тогда не пропали. С нами работала группа физиков из института DESY, крупнейшего центра по физике частиц в Германии, немецкого аналога ЦЕРН. Видя наше неустойчивое положение, они стали помогать, и благодаря этому мы благополучно пережили 1990-е. Поддерживал и Борис Салтыков, министр науки и техники в те годы. Так что обижаться не на что.

Погружение гирлянды оптических модулей в Байкал при строительстве первого в мире глубоководного нейтринного детектора НТ-200. Март 2005 года

Требуется гигантский объем воды

Предполагалась регистрации астрофизических нейтрино, чтобы найти их источники в космосе. Первый детектор сделали под руководством Чудакова на Баксане на Северном Кавказе, глубоко в горе. Это огромный подземный сцинтилляционный телескоп, почти 3,2 тысячи фотоумножителей, крупнейший на тот момент в мире. Он был очень хорош, но фиксировал нейтрино малых энергий, которые рождаются в атмосфере Земли при прохождении космических лучей. Увидеть на их фоне какие-то сгущения или локальные источники не удалось. Стало понятно, что надо уходить в область более высоких энергий, а значит, делать детекторы принципиально большего размера.

Мы построили первый глубоководный детектор на Байкале — НТ-200. Зарегистрировали нейтрино высоких энергий в воде, наш приоритет признан во всем мире. Чуть позже американцы подтвердили этот результат на подледном детекторе AMANDA в Антарктиде.

Спустя десять лет поняли, что даже эти инструменты, гораздо большего размера, чем Баксанский, все равно малы: нужно увеличивать объем минимум до одного кубического километра. Так появился проект IceCube в Антарктиде, американцы с 2005-го по 2011-й потратили на него около 300 миллионов долларов. Не спешили осознанно, потому что суета приводит к ошибкам. Это эталонный детектор, пять тысяч фотоумножителей.

Мы начали строить новый детектор на Байкале в 2015-м, когда к работе активно подключился мощный исследовательский центр — Объединенный институт ядерных исследований в Дубне. Сейчас у нас восемь кластеров — это 2304 фотоумножителя, эффективный объем — 0,4 кубических километра (подробнее в статье о детекторе. — Прим. ред.). В прошлом году сделали один кластер, много внимания уделили ремонту неисправностей. Если ничего экстраординарного не произойдет, зимой поставим два кластера по 288 оптических модуля каждый. Этот темп сохраним и дальше. К 2024-му доведем до 0,7 и после — до 1,5 кубических километра.

Оба детектора дополняют друг друга. Есть направления, которые не видит IceCube, но доступны Baikal-GVD. Вдвоем они видят всю небесную сферу.

Европейцы тоже делают глубоководный нейтринный детектор — KM3NeT, в Средиземном море у берегов Франции и Сицилии. На сегодня там 12 гирлянд по 18 оптических модулей на каждой. Это дело не быстрое. KM3NeT станет частью сети детекторов для регистрации астрофизических нейтрино.

Вся нейтринная астрономия основана на идее, высказанной Марковым в 1959 году: о регистрации черенковского света заряженных частиц. Нейтрино никак не проявляется, пока не провзаимодействует с чем-то и не родит заряженную частицу: мюон, электрон, тау-мезон, каскад заряженных частиц — электронов, позитронов, протонов. При движении их со скоростью выше, чем скорость света в воде, возникают сложение волн и голубое свечение — эффект Вавилова — Черенкова, который можно зарегистрировать.

Детекторы фиксируют черенковское излучение от нейтрино, летящих со всех сторон. Однако сверху приходят мюоны, образованные при распаде пи-мезонов, которые рождаются от взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли. Из этого фона очень сложно выделять нужные нам нейтрино. Вот почему мы идем глубоко под воду, лед, под землю — чтобы не мешали те частицы, что сыплются сверху.

Вода и лед — существенно разные среды. Прозрачность определяется двумя параметрами: длинной рассеяния, то есть сколько надо пробежать частице, чтобы рассеется, и длиной поглощения — сколько времени требуется свету, чтобы поглотиться. Отношение этих величин в воде и во льду сильно отличаются.

Замечательный по прозрачности лед Антарктиды очень сильно рассеивает свет. Пока его соберешь, потеряешь информацию о свойствах источника. Вода Байкала менее прозрачна, зато очень мало влияет на рассеяние. Поэтому IceCube и Baikal-GVD видят разные вещи.

На IceCube заметнее длинные треки мюонов, но их мало. В спектре нейтрино преобладают каскадные ливни, но они теряют о них информацию из-за рассеяния во льду. А мы их хорошо видим и выделяем, причем с очень больших расстояний, даже за инструментальными пределами детектора, во внешней воде.

Оба детектора заточены на события с энергии 60 тераэлектронвольт и выше — в этом спектре нейтрино от дальних источников больше, чем атмосферных. Нам повезло, что природа так устроена. Это открыли на IceCube, положив начало нейтринной астрономии. Мы пытаемся локализовать на небесной сфере объекты, от которых исходят эти частицы. Фактически получаем живого свидетеля из очень далеких областей Вселенной, от блазаров, квазаров, от разных невероятных генераторов мощнейшей энергии.

На IceCube зарегистрировали около сотни событий, у нас десяток. Этого недостаточно для достоверных выводов. Пока только догадки. Например, есть хорошая работа Александра Плавина, отца и сына Ковалевых и Сергея Троицкого, показавшая, что радиоблазары в пике активности испускают нейтрино высоких энергий. Может, так и есть, но надо набрать статистику.

Наша группа с 1981 года каждую зиму проводит на Байкале. Я последние годы перестал ездить — ребята все умеют лучше меня. Я остаюсь начальником экспедиции, руковожу на расстоянии. Недавно подсчитал, что пробыл на Байкале почти три года.