Космос как возможность
- 17.02.2025
Большую часть результатов в области физики элементарных частиц (ФЭЧ) последние 70 лет ученые получают на коллайдерах. Благодаря ускорителям на встречных пучках человечество изучает состав и взаимодействие частиц во Вселенной, проверяет и уточняет теорию микромира – Стандартную модель. Мечта физиков – постоянно повышать энергию таких установок, чтобы видеть мельчайшие детали мироздания. Но, к сожалению, построить ускоритель с энергией, например, 1000 ТэВ невозможно с технологической точки зрения и невыгодно с финансовой. Поэтому один из основных трендов в этой области физики – возвращение к истокам, то есть в космос. Космос – это тоже ускоритель, где производятся частицы с энергиями гораздо большими, чем возможно достичь на Большом адронном коллайдере.
Заместитель директора по научной работе Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) доктор физико-математических наук Григорий Рубцов в интервью рассказал, как ИЯИ РАН совместно с Новосибирским государственным университетом (НГУ) и Институтом ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) развивают основные российские проекты, посвященные нейтрино и астрофизике частиц, и зачем ученые ловят частицы, преодолевающие сотни световых лет.
– Григорий, расскажите, пожалуйста, как ИЯИ РАН и лично вы связаны с ИЯФ СО РАН и НГУ? Какие проекты вас объединяют?
– Для меня лично ИЯФ и НГУ – очень важные организации. Первый раз я приехал в новосибирский Академгородок в 2011 г. по приглашению доктора физико-математических наук А.Д. Долгова – вести курс по космологии в НГУ. Также, ИЯИ РАН, ИЯФ и НГУ объединяет проект гамма-обсерватории TAIGA. Я вступил в эту коллаборацию в 2010 г., когда проект стал международным, курировал его с российской стороны. С тех пор TAIGA постоянно развивается и на сегодняшний день представляет собой гибридную систему современных черенковских телескопов и других детектирующих устройств (120 широкоугольных черенковских детекторов установки TAIGA-HiSCORE, три атмосферных черенковских телескопа с зеркалами площадью около 10 кв. метров установки TAIGA-IACT, три кластера сцинтилляционных детекторов установки TAIGA-Muon). Технологическое развитие во многом связано с вступлением в проект в 2016 г. НГУ и ИЯФ СО РАН. Группа ученых под руководством кандидата физико-математических наук Е.А. Кравченко отвечает за разработку и производство мюонных детекторов, способных надежно выделять гамма-кванты из общего потока частиц. Сейчас проект TAIGA стоит на пороге нового апгрейда. TAIGA-100 займет территорию около 100 кв км, на которых мы развернем сеть новых детекторов, реализуем новые технологии сбора и анализа данных.
– Один из ключевых проектов ИЯИ РАН – Байкальский подводный нейтринный телескоп Baikal-GVD связан с проектом TAIGA и территориально, и по своей физической программе. Оба эксперимента направлены на обнаружение источников космических частиц сверхвысоких энергий. В Тункинской долине регистрируют широкие атмосферные ливни, на Байкале под водой ловят нейтрино – зачем?
– Мы сейчас находимся в ИЯФ СО РАН – институте, где родилась ускорительная физика, появились первые коллайдеры, благодаря которым последние 70 лет совершаются основные открытия в физике элементарных частиц. Но не стоит забывать, что первые открытия элементарных частиц (мюона, позитрона, пи-мезона) были совершены во время исследования космического излучения. Несмотря на большие возможности «земных» ускорителей на встречных пучках, космос предлагает нам более мощные «установки».
Заместитель директора по научной работе Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) доктор физико-математических наук Григорий Рубцов. Фото Т. Морозовой.
Нейтрино – это всепроникающая частица, она удивительна тем, что спокойно проходит расстояния в сотни миллионов световых лет, практически не теряя энергии. Нейтрино могут приходить к нам из таких интересных объектов, как далекие активные галактики, имеющие джеты, ускоряющие частицы до огромных энергий, или галактики с интенсивным звездообразованием, в которых проходят взрывы сверхновых или коллапсы двойных систем. Если мы будем знать, где во Вселенной находятся такие объекты, они смогут стать нашими экспериментальными установками, ускорителями с такими энергиями, которых на Земле никогда не достичь. Такие космические инструменты позволят понять теорию гравитации на недостижимых ранее масштабах, искать новые частицы и многие другие новые физические явления. Это мечта, стратегический план на будущее, но первый шаг к ней, который ученые готовы сделать сегодня – обнаружение источников нейтрино.
Действительно, оба эксперимента (Baikal-GVD и TAIGA) всегда шли рука об руку. Они находятся рядом территориально, и в обоих принимает участие Иркутский государственный университет (ИГУ), также внесший огромный вклад в развитие этих проектов. Кстати, фотоумножители, которые использовались на первых черенковских телескопах в Тунке – это устройства, которые не соответствовали техническим условиям в Байкальском эксперименте. Работа на глубине предполагала очень высокие технические требования к фотоумножителями, а наземная установка таких требований не накладывает. А теперь, что интересно, получается обратная ситуация – детекторные технологии, которые разрабатывались для Тунки, мы планируем перенести в эксперимент на Байкале. Таким образом, в дополнение к тому, что эти два эксперимента будут решать общие задачи, часть установки TAIGA может регистрировать события одновременно с Байкальским телескопом, что даст нам большее понимание происходящего. И вот как раз Лаборатория новых методов регистрации ионизирующих излучений НГУ и лично Е.А. Кравченко предложили для эксперимента на Байкале технологию детектора, который можно расположить на берегу озера.
– То есть НГУ и ИЯФ СО РАН стали участниками Baikal-GVD?
– Пока еще нет, но НГУ и ИЯФ являются соисполнителями в крупном проекте Институт ядерных исследований «Нейтрино и астрофизика частиц», который создан как раз для развития мегасайенс проекта Байкальский нейтринный подводный телескоп. И вот здесь как раз большая роль группы Кравченко. Идея, которую они предложили, еще в разработке. Сейчас проводятся все необходимые расчеты, и говорить о результате рано, ведь для того, чтобы начать любой физический эксперимент, мы должны понимать, чего и через какое время мы добьемся, то есть нужны количественные характеристики. Сейчас лаборатория Е.А. Кравченко занята сложным моделированием количества возможных событий, то есть прошедших сквозь наземную установку и попавших в глубоководный нейтринный телескоп. Нам нужно знать, какое количество нейтрино сможет зафиксировать наземный детектор и подводный. Это очень большая задача, решив которую, будет понятно, какой нужно строить детектор, какие площади он будет покрывать.
– Какие еще лаборатории НГУ участвуют в крупном научном проекте ИЯИ РАН «Нейтрино и астрофизика частиц»?
– Помимо лаборатории новых методов регистрации ионизирующих излучений НГУ, соисполнителем проекта является одна из ведущих лабораторий по тематике черных дыр – Лаборатория космологии и физики элементарных частиц НГУ. Черные дыры – это как раз одни из объектов, которые мы ищем на небе. Лаборатория профессора А.Д. Долгова занимается теоретическим изучением механизмов, которые могут родить нейтрино высоких энергий, или стать источником нейтрино, которые зарегистрирует детектор на Байкале. То есть фактически они ведут работу по получению предсказаний и проверке новых теорий.
– Что уже увидел Байкальский подводный нейтринный телескоп и что у него впереди?
– На данный момент он увидел астрофизические нейтрино и подтверждает спектры этих частиц, а также видит указания на то, что часть из них прилетела из нашей Галактики. Это единственный эксперимент, который подтвердил результаты по астрофизическому нейтрино, полученные коллаборацией IceCube (Южный полюс, США). В физике невозможно продвигаться без верификации экспериментальных результатов – любой результат, не имеющий подтверждения, вызывает сомнения. В дальнейшем исследователям предстоит понять, сколько нейтрино рождается в нашей Галактике, почему они там возникают, чем механизм их рождения отличается от тех, что приходят из других галактик? Если говорить глобально, то нейтрино подсвечивают всю масштабную физику Вселенной, все высокоэнергетические процессы, физику элементарных частиц и новые явления. Именно Байкал сегодня становится местом новых открытий в нейтринной астрофизике.
Подготовила Татьяна Морозова