Вид на звёзды изнутри Андырчи

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.

Баксанская нейтринная обсерватория представляет собой серию лабораторий и инженерных помещений, расположенных в штольне, уходящей внутрь горы Андырчи

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.

Удивительно, но лейтмотив разговоров с учёными, которые здесь работают, — точность данных. Успех для физика-экспериментатора не в том, чтобы произвести сенсацию (хотя с точки зрения журналиста, что же здесь плохого?), а в том, чтобы скрупулёзно проверить данные. Это спорт не на скорость, а на точность. Вернее, не спорт, а культ истины.

— 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.

Младший научный сотрудник Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН Виктор Романенко знает всё, что происходит на «Ковре»

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.

Одна из стен подземного сцинтилляционного телескопа. В каждом цилиндре детектор, способный зарегистрировать единичное нейтрино

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 он 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.

В общем, если кто любит одновременно науку, технику, горы и уединение, это идеальное место. Скоро, вероятно, здесь понадобятся минимум десятки учёных на месте и сотни в коллаборации, потому что современная обсерватория жива, пока развивается.

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.

А вот, кстати, и он - кот Адрон