Невод для тёмной материи. Что ловят астрономы на дне Байкала?

Посреди покрытого льдом Байкала ездят тракторы, гусеничная техника, кругом расставлены лебёдки. И так каждую зиму. Кто бы мог подумать, что всё это нужно для телескопа.

Обсерватория Baikal-GVD — Baikal Gigaton Volume Detector (Байкальский детектор гигатонного масштаба) — расположилась посреди озера, примерно в 3,5–4 километрах от берега, и выглядит очень своеобразно: это гирлянды длиной 525 метров, которые погружают в воду на более чем километровую глубину. На сегодняшний день там развешено уже полсотни с лишним таких гирлянд, а в ближайшие годы к ним планируют добавить ещё примерно 150. И на каждой закрепляют по 36 одинаковых шаров. В общей сложности в водах Байкала их более двух тысяч.

Эти сферы называются оптическими модулями. Внутри целые комплексы сложной аппаратуры. Они улавливают излучение. Необычное, удивительное излучение. Оно представляет собой вот что. Быстрее, чем свет в вакууме, ничто двигаться не может. Но через какое-нибудь — любое — вещество он летит несколько медленнее, чем в вакууме. И бывает так, что некоторые заряженные частицы мчатся сквозь это вещество, обгоняя фотоны. То есть можно сказать, что внутри какой-то среды они мчатся со сверхсветовой скоростью. И при этом испускают фотоны, то есть светятся. Излучение это тянется за частицей и образует конус, как звуковые волны, идущие от сверхзвукового самолёта.

А если вещество прозрачное, то этим явлением можно полюбоваться. Получается таинственное голубое свечение. Именно его и наблюдают при запуске ядерных реакторов.

Оно называется черенковским свечением, или эффектом Вавилова — Черенкова. За открытие этого явления природы советскому физику Павлу Черенкову и его коллегам Игорю Тамму и Илье Франку дали в 1958 году Нобелевскую премию. Учёные решили, что в названии эффекта должно быть увековечено и имя Сергея Ивановича Вавилова — именно в его лаборатории и под его руководством в 1934 году впервые удалось увидеть этот свет.

Но самое интересное, что его можно наблюдать не только в лаборатории или на АЭС. Явление встречается и в природе, а именно в океанских глубинах. Во тьме у самого дна иногда бывают тусклые всполохи — это распадаются радиоактивные изотопы калия и другие природные радионуклиды, которые попадают в воду из земных недр в результате естественных процессов. Результат этого распада тот же самый: вылетают электроны, а вместе с ними фотоны.

А ещё бывает, что в атомы воды врезаются нейтрино. Это такие вездесущие частицы, которые возникают в результате ядерных реакций и внутри звёзд, и на Земле, и в атмосфере из-за её бомбардировки космическими лучами. "Нейтрино" — итальянское слово, переводится как "нейтрончик". Термин придумал физик Энрико Ферми, создатель первого в мире ядерного реактора и человек, который сформулировал знаменитый "парадокс Ферми" ("Где инопланетяне?"). Этим словом обозначили, что частица нейтральная и очень маленькая — намного меньше, чем нейтрон. Разница между двумя этими частицами в том, что нейтрон состоит из трёх ещё более мелких частиц — кварков, а у нейтрино составных частей нет. Этими крохами кишит Вселенная, но их никто не замечает — они практически не взаимодействуют или, во всяком случае, очень слабо взаимодействуют с другими частицами. Для них почти всё прозрачно.

— Испустилась эта частица где-то и летит себе. Как летит, так и летит, не реагируя ни на что. Даже если нейтрино на своём пути какую-нибудь звезду встретит, спокойно сквозь эту звезду пройдёт, — объяснил координатор Байкальского нейтринного проекта, заведующий лабораторией Института ядерных исследований РАН Григорий Домогацкий.

Но в достаточно плотной среде, то есть там, где высока концентрация атомов, нейтрино всё же может налетать на некоторые из них и порождать целые ливни светящихся частиц. Самое интересное, что они "проливаются" точно в том же направлении, что и исходный нейтрино. Так вот, идеальный кандидат на роль такой плотной среды — вода: атомов много и в то же время прозрачная. Можно зафиксировать примерно такие светящиеся полоски.

И это не просто красиво. Поскольку нейтрино не замечают препятствий, они движутся, строго сохраняя изначальное направление и никуда не сворачивая. А это значит, что полоски указывают, ОТКУДА прилетели нейтрино.

— Нейтрино, стукаясь о ядра воды, либо создаёт каскад заряженных частиц — такой пучок, который летит, либо создаёт такую частицу — мюон, которая очень долго летит. И вы видите траекторию, длинную такую траекторию, которая показывает, как эта частица шла, справа налево или слева направо, сверху вниз или снизу вверх. А дальше вы уже легко вычисляете, что это за точка на небе, и смотрите, что там есть, — рассказал председатель научного совета РАН по нейтринной физике.

Нейтрино в водах Байкала ловят избирательно — не всякие требуются. Атмосферные, солнечные или вылетающие из реакторов в данном случае ни к чему. Нужны только гости из далёкого космоса. Их отличают по огромной энергии потока — десятки тысяч миллиардов электронвольт и выше.

Во-первых, все прочие телескопы "видят" только то, что снаружи, а нейтрино вырываются прямо из звёздных ядер, из самого сердца галактик, из эпицентров взрывов сверхновых и всевозможных столкновений. Первым в мире идею погрузить нейтринные детекторы в естественный водоём предложил советский физик Моисей Александрович Марков ещё в 1960 году. Лишь через полтора десятка лет начались попытки реализовать это технически, притом на первых порах они были неудачными — задача оказалась невероятно сложной. Подводные нейтринные обсерватории появились в мире только в середине 1990-х: на Байкале (до нынешнего телескопа там работал НТ-200), на Южном полюсе (AMANDA, затем IceCube), а с 2008 года — в Средиземном море (ANTARES).

В 2010 году построили крупнейшую в мире (по крайней мере, пока) установку — IceCube в Антарктиде. Вдвоём с Baikal-GVD они смогут искать источники нейтрино высоких энергий по всей небесной сфере.

— Если оперировать словом "эпоха", то сейчас эпоха рождения многоканальной астрономии, когда к изучению Вселенной с помощью регистрации оптическими инструментами, детекторами радиоизлучения, гамма-телескопами добавились детекторы гравитационных волн и нейтрино высоких энергий. Это совершенно новая астрономия, — подчеркнул учёный.

Во-вторых, нейтрино совершенно не укладываются в рамки современной науки. Согласно стандартной модели физики элементарных частиц, у них никак не может быть массы. А она есть. Правда, пока точно не известно, какая именно.

— Определение массы любой частицы — это первое дело, это её фамильная карточка, — отметил координатор Байкальского нейтринного проекта.

И в-третьих, загадочные частицы наводят астрофизиков на мысль: а может быть, они помогут раскрыть тайну скрытой массы Вселенной? Теоретически нейтрино могут возникать и при распаде частиц тёмной материи.

— Эти детекторы (детекторы Байкальского подводного телескопа. — Прим. Лайфа) могут многое дать нейтринной астрономии. Они обладают возможностью искать частицы тёмной материи. Если это массивные частицы, то их можно искать такими глубоководными детекторами. Они продвигаются в направлении решения важнейшего вопроса о том, что же такое тёмная материя во Вселенной. Это массивные, тяжёлые частицы или это лёгкие частицы? Этот вопрос — один из мощнейших вызовов человечеству, — заявил Григорий Домогацкий.

— При том, что мы сейчас знаем, — нет. Если бы масса нейтрино была большой, скажем, 50 электронвольт, она бы объяснила: вот вам, пожалуйста, скрытая масса. Но она такой не оказалась. Но всё это надо экспериментально измерять и исследовать, — уверен заведующий лабораторией Института ядерных исследований.

В глубоководные "сети" Байкальского телескопа уже начали попадать следы ярких событий космической бездны. По расчётам астрофизиков, этот телескоп-"невод" проработает многие десятки лет. Единственное, что может создать учёным проблему, — это сети обыкновенные, рыболовецкие. В той зоне, где строят телескоп, официально судоходство запрещено, но браконьеров это не останавливает. Впрочем, опасность минимальна — конструкции с гирляндами начинаются на глубине около 25 метров.