От квазаров до Байкала: где ищут нейтрино высоких энергий
Каждую секунду через нас проходят триллионы нейтрино — странных частиц, из которых ничего нельзя собрать и которые не переносят никакого взаимодействия. Что это такое и почему на них охотится мировое научное сообщество? (Причем Россия играет в этой охоте далеко не последнюю роль.) И наконец, как в этой охоте поможет Байкал?
Это «Вопрос науки», и в гостях у Алексея Семихатова доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории в Физическом институте РАН и в Московском физико-техническом институте, член-корреспондент РАН Юрий Юрьевич Ковалев.
Каждую секунду через нас проходят триллионы солнечных нейтрино.
К нейтрино относятся только два вида взаимодействия: так называемое слабое взаимодействие и гравитационное. Поэтому они могут пройти совершенно громадные расстояния без какого бы то ни было эффекта. Благодаря этому они являются такими, что ли, уникальными разведчиками.
Все-таки хочу подчеркнуть, что это не только частицы, которые могут как бы пройти через все что угодно во Вселенной практически без взаимодействия, это не разведчики в обычном военном смысле слова, а это именно резиденты. Самые ценные среди шпионов, которые родились в той стране, за которой мы следим.
Они могут не только проходить эти громадные расстояния, они могут выйти из практически любого объекта, который их родил, без каких бы то ни было помех. Например, из Солнца.
Без нейтрино мы только предполагали, что происходит на Солнце. Да, и в учебниках написано, что там, скорее всего, происходят термоядерные реакции, водород превращается в гелий и т. д. Но, честно говоря, мы этого не видим, потому что эти термоядерные реакции происходят в центре Солнца, а, простите, Солнце для нас непрозрачно. Для электромагнитного излучения Солнце непрозрачно. И нейтрино — это чуть ли не единственные частицы, которые могут выйти непосредственно из центра Солнца, и нейтрино как раз и генерятся в Солнце в результате термоядерных реакций.
И вот та самая первая Нобелевская премия за нейтрино была дана фактически за детектирование солнечных нейтрино, что является прямым доказательством термоядерных реакций, происходящих на нашем светиле. Это первая причина, почему нейтрино нам так интересны. Нейтринная астрономия — фундаментальная наука. Другое дело, что все-таки мы называем это астрофизикой частиц, потому что не только нейтрино мы ловим из космоса. Мы об этом сегодня еще поговорим.
Еще одну Нобелевскую премию дали за открытие нейтринных осцилляций. То есть мы узнали, что нейтрино имеет массу, которая отлична от нуля. А это противоречит стандартной модели элементарных частиц. И опять же, как я говорю в некоторых научно-популярных лекциях, нет большего счастья экспериментатору, чем показать, что теоретик ошибается. Ну и все: это означает, что стандартную модель нужно развивать дальше, потому что нейтринные осцилляции, то есть тот факт, что нейтрино имеет массу, отличную от нуля, не бьется со стандартной моделью, описывающей элементарные частицы.
Нейтрино может нести с собой разный уровень энергии. Не только нейтрино, те же самые протонные ядра могут это делать. Например, максимальная когда-либо зарегистрированная энергия прилетевшей к нам космической частицы — это протон или ядра элементов — сравнима с энергией, который обладает теннисный мячик во время подачи на Уимблдонском турнире.
Мы лишь предполагаем, что масса нейтрино мала. На сегодняшний день масса нейтрино неизвестна. Существует только верхний предел массы нейтрино, который говорит о том, что да, нейтрино вроде бы не очень массивные частицы.
До данного момента мы обсуждали нейтрино, которые приходят от Солнца, от взрывающихся звезд. И это относительно не очень большие энергии, с ними уже более-менее разобрались, две Нобелевские премии получили. Остались так называемые нейтрино сверхвысоких энергий.
Для тех, кому интересны цифры, я скажу, что речь идет об энергии больше 100 тераэлектронвольт (ТэВ). Если кому-то хочется в другой системе измерений, идите в «Википедию», переводите. Вот больше 100 ТэВ — это то, что нас сейчас интересует.
Почему нас это интересует? Потому что единственный вариант, каким образом можно родить нейтрино таких энергий, — это если во взаимодействии участвуют протоны, летящие практически со скоростью света. И если такие нейтрино вообще во Вселенной существуют — нейтрино энергиями больше 100 ТэВ, — это означает следующее.
Во Вселенной существуют, как говорил мой учитель Николай Семенович Кардашев, суперколлайдеры, или космические суперускорители, которые в состоянии разогнать протоны до скоростей, практически равных скорости света
Чтобы вы прочувствовали, насколько это сложно: протон примерно в 1800 раз массивнее электрона, соответственно, его в 1800 раз сложнее ускорить. Мы на Земле тратим миллиарды денежных знаков для того, чтобы построить ускорители и разогнать эти самые протоны и сравнимые по массам там частицы. А там как-то забесплатно, то есть, даром, природа построила подобные ускорители.
Как только мы получили подобный нейтрино (их поймал телескоп IceCube, который стоит на Южном полюсе) и нет никаких сомнений, что они космического происхождения, сразу встал вопрос: а что же это за космические ускорители? И за последний десяток лет было опубликовано громадное количество статей, научных исследований с разными идеями о том, как родить нейтрино.
Мы знаем: нам нужен протон, летящий со скоростью света. Соответственно, было много публикаций о том, как можно ускорить протон до скорости, близкой к скорости света.
И вот этот вопрос, который как раз нас интересовал: а что же это за космические ускорители, что это за объекты? Действительно, они себя проявляют и другим образом. Таких объектов на небе несколько типов, которые рассматривались в качестве возможных источников этих нейтрино очень высоких энергий. И мы сейчас подходим к той самой гипотезе, которую как раз проверяло международное сообщество, я скажу так, почти безуспешно на протяжении последнего десятка лет. И ту гипотезу, которую нам удалось, мы считаем, значимо подтвердить, что вот именно этот вариант, а никакой другой, именно этот объект является тем суперускорителем, который в состоянии разогнать протоны до скорости света.
На самом деле это совершенно потрясающая схема, потрясающая идея. И она уже в названии включает в себя нашего соотечественника, одного из сотрудников института, в котором я работаю (Физический институт имени Лебедева РАН), и одна из Нобелевских премий, полученная сотрудниками нашего института, — это принцип так называемого Черенковского детектора. И фактически идея заключается в следующем: у нас есть нейтрино, которое влетает в какую-то среду — ну, скажем, в воду или в лед. И нейтрино взаимодействует с ядрами атомов, которые находятся в этом самом льду или в этой самой воде. И в результате взаимодействия у нас рождаются заряженные частицы, которые летят со скоростью... Вот здесь тонкость: они летят со скоростью, которая выше, чем скорость света в данной среде, то есть в воде или во льду.
И это и есть черенковское излучение. Если у нас в среде, в атмосфере Земли, в воде, во льду летит заряженная частица со скоростью выше, чем скорость света в данной среде, не нарушается никакой постулат общей теории относительности, потому что эта скорость выше, чем скорость света в среде, но все еще ниже или равна скорости света вакууме.
Мы в своей работе использовали результаты наблюдений телескопа IceCube. Это американский телескоп с европейским участием, который находится на Южном полюсе, и он использует лед. Ребята пробурили скважины, бросили туда детекторы и, собственно, снимают с них сигнал.
Но было бы совершенно неправильно не обратить внимание на то, что Россия здесь далеко не на последнем месте. На озере Байкал Россия сейчас разворачивает нейтринный телескоп, который называется Baikal-GVD. У него есть сеть детекторов внутри озера Байкал, в воде. Наши коллеги работают зимой, когда озеро покрывается льдом.
Мы предположили, что источником, объектом, который может ускорять протоны до скорости света и, соответственно, эти протоны могут родить нейтрино сверхвысоких энергий, являются квазары, то есть далекие галактики, в центрах которых находятся сверхмассивные черные дыры.
И вот их центральная машина, сверхмассивная черная дыра, вокруг нее диск, который подпитывает черную дыру пылью и газом, вот эта вся машина в состоянии ускорять не только электроны до скоростей света.
Об электронах мы знали и раньше. Но протоны-то ускорить в 2000 раз сложнее! И вот мы предположили, что активные ядра галактик могут также ускорять и протоны до этих громадных энергий, до этих громадных скоростей, хотя это действительно очень сложно. И мы были не первыми. Были теоретические работы, и коллеги искали все эти годы нейтрино там, где из космоса видно яркое гамма-излучение квазаров. Потому что там громадные энергии и тут жесткая часть спектра.
А кроме этого, в сложном процессе рождения нейтрино, в котором участвуют протоны, обязательно рождаются гамма-кванты. И это гамма-излучение обязано родиться, все об этом знают. И раз там рождается гамма-излучение, давайте искать под фонарем. И вот на слайде мы можем видеть картиночку, как выглядит наше небо в гамма-лучах. Яркая полоса по центру — это наша галактика. Она как раз нам в данный момент не очень интересна, но вот все вот эти точечки вне вот этой яркой полосы — это как раз далекие активные галактики. И прямо там мы искали связь между нейтрино и вот этим самым энергичным гамма-излучением.
Мы сказали: так, ребят, а давайте попробуем использовать данные, которые мы получаем в низкоэнергетичной части спектра, в радиодиапазоне. Более того, мы сказали: а попробуем-ка мы сконцентрироваться только на тех активных галактиках, джеты которых, струи, направлены нам в глаз. И мы можем их легко выделить, используя известные сети радиотелескопов, которые разбросаны по всему миру.
За десять лет IceCube поймал всего около сотни нейтрино высоких и сверхвысоких энергий. И вот посмотрите, у нас это громадное небо сейчас на слайде и много-много-много-много серых точек. Вот это те самые квазары, которые мы видим с помощью наших сетей радиотелескопов, которые мы смогли отобрать, как те самые активные галактики со струями, направленными нам в глаз. И в результате нашего анализа оказалось, что именно в тех направлениях, откуда пришли нейтрино сверхвысоких энергий, находятся наиболее яркие в радиодиапазоне квазары.
Так вот, я вам рассказал только про половину нашего результата. Он был получен с помощью сетей радиотелескопов, разбросанных по всему миру.
Ключевую роль в нашей уверенности о том, что нейтрино рождаются именно в центрах далеких галактик, сыграл, вы не поверите, российский телескоп РАТАН-600
IceCube смотрел за нейтрино последние десять лет, и российский радиотелескоп наблюдал за изменением свечения далеких активных галактик в радиодиапазоне на протяжении того же десятка лет. И мы увидели, что от активных галактик приходят вспышки радиоизлучения одновременно с моментом, когда IceCube детектирует нейтрино из того же самого направления.
То есть, вы представляете, мы, с одной стороны, увидели, что в тех направлениях, где есть нейтрино, откуда приходят нейтрино, квазары оказываются ярче. И совершенно независимо мы увидели с помощью российского телескопа РАТАН-600, что в моменты, когда к нам приходят нейтрино в активной галактике, находящейся именно в том направлении, происходит увеличение ее радиоизлучения, а потом снова падение, вспышечки.
Что нового об устройстве квазаров таким образом мы узнали? Мы уже сегодня фактически имеем утверждение не со знаком вопроса на конце, а с восклицательным знаком на конце: центры активных галактик, эти центральные машины квазаров, в состоянии ускорять протоны до скоростей света. В ближайшие годы мы хотим разобраться, как они это делают.
