Рассказы бабушки Капы подтверждаются мюонным детектором

Игумен Пантелеимон, настоятель Свято-Троицкого Данилова монастыря в Переславле-Залесском, в ноябре прошлого года порадовал читателей своего Facebook неожиданной новостью: на территории обители началось масштабное исследование подземелий с помощью космического излучения. «Вот матчасть к моему вчерашнему хайпу», — шутит на своей странице игумен, ссылаясь на сайт НИТУ «МИСиС», который совместно с Физическим институтом РАН (ФИАН) проводит работы в монастыре. Не обделены юмором и его подписчики. «Отец, ты космический!))» — комментирует пост один из них. «Рассказы бабушки Капы подтверждаются мюонным детектором», — замечает другая. Среди местных жителей, особенно старшего поколения, давно бытует легенда о подземных ходах под монастырём, и теперь представился шанс её проверить.

Крёстный Ивана Грозного и вдова Лжедмитрия I

Белые стены Данилова монастыря — один из узнаваемых образов Переславля. Летними вечерами здешний покой нарушают только лягушки из соседнего пруда. Возможно, точно так же они квакали пятьсот лет назад, когда был основан монастырь.

Подземные помещения, которые сейчас изучают физики, построены в те годы, когда монастырь установил тесные связи с златоглавой столицей. Как сообщают летописи, в 1530 году основатель обители инок Даниил стал крёстным Ивана Грозного. Уже немолодой Василий III после двадцатилетнего бездетного брака праздновал появление первенца с должной торжественностью, выбрав для новорождённого сразу трёх крёстных отцов.

Не исключено, что и крестины, и активное строительство храмов были попыткой замолить осуждавшийся церковью развод, на который царю пришлось пойти ради появления наследника. Во всяком случае, в суровые годы опричнины поступок Василия III считали одной из причин бед, обрушившихся на русские земли. Но пока в стране бушевали страсти, монастырь рос и укреплял позиции.

В 1606 году в Переславле появились поляки. Когда вдову Лжедмитрия I Марину Мнишек отправили в ссылку в Ярославль, она со своей многочисленной свитой останавливалась здесь переночевать. Их впечатления уложились в лаконичную заметку: «Дня 30. Ночлег в Переславле… Там в доме царицы поймали бабу, снявшую кожу с жабы и начавшую что-то колдовать. Но её вовремя заметили». Это была Смута.

Через несколько лет поляки снова пришли в Переславль — разграбили его, разрушили многие сооружения, в том числе и Данилов монастырь.
Но жизнь продолжалась, обитель отстроили заново. Новые стены скрыли обломки старых, а вместе с ними была погребена и загадка монастырского прошлого, ведь в огне Смуты погибли технические планы строений.

Отец Родион, фараон и мюон

На стене монастыря табличка: «Вход через Святые врата».

— Интересно, как понять, которые из них святые? — спрашивает моя подруга-фотограф.

— Наверное, вот эти, самые красивые, — отвечаю я.

Накрапывает дождик, мы трусцой добегаем до Святых врат — величественной арки с колоннами и куполом. Здесь мы договорились встретиться с настоятелем.

— Что ж вы мокнете, прячьтесь, — советует нам помятого вида мужчина. — Вы туристы? Я вот переславский. Живу, правда, на улице.

— На улице?

— А что, город хороший, летом и на траве спать можно, если бы ещё змеи с лосями не мешались… Вы кого ждёте?

— Игумена, отца Пантелеимона. Мы на интервью.

— Батюшка у нас хороший, — расплывается в улыбке собеседник.

— Ему в глаза как в небо посмотреть — такие чистые. Мы сначала не ладили, а потом я исповедался, так он растрогался. Меня и на трапезу с монахами пускают.

Вдали появляется фигура в чёрном — это отец Пантелеимон. Нам предстоит выяснить, как монастырские погреба попали под пристальный взгляд физиков.

Оказывается, на эксперимент настоятеля сподвиг иеромонах Родион, работающий в церковной комиссии по взаимодействию с научным сообществом. Они с отцом Пантелеимоном давние друзья.

— Обсуждалось применение современных методов в исследовании церковных артефактов, и он предложил: «Давай что-нибудь поковыряем». Я и ответил: «Можно посмотреть, что у нас в земле находится». Нагрянули учёные, и пошло-поехало.

Вместе с игуменом физики определили задачи проекта: изучить подвалы церкви Похвалы Божией Матери и окружение церкви Всех Святых — в этих храмах есть подвалы и можно, ничего не нарушая, оказаться ниже уровня земли. По одной из легенд, подземный ход расположен именно между этими сооружениями.

Эксперимент начался в ноябре 2020 года и уже дал первые результаты. Так, удалось выяснить, что под церковью Похвалы находятся некие подземные помещения, не указанные на плане монастыря.

Пока данных для понимания, что именно перед (точнее, под) нами, недостаточно. Обнаруженные под землёй полости могут оказаться как подземными ходами, так и погребальными криптами или простыми погребами. Впрочем, интересно не только то, что конкретно обнаружат под церковью, но и метод, с помощью которого проводится исследование. В России это один из первых экспериментов в области археологии с применением мюонной радиографии.

Мюоны на Земле появляются при столкновении космических лучей с атмосферой. Эти элементарные частицы — почти полная копия электронов, только в 207 раз тяжелее. Живут они недолго, чуть больше двух микросекунд. Но поскольку летят почти со скоростью света, успевают добраться до поверхности Земли и пройти вглубь.

С обычной материей мюоны взаимодействуют не слишком охотно. Каждую минуту на 1 квадратный метр земной поверхности обрушивается около 10 000 мюонных частиц, а мы этого даже не замечаем. До своего распада мюоны успевают преодолеть большие расстояния, легко проходя сквозь огонь, воду, медные трубы и толщу земли: их можно обнаружить на глубине более 2000 метров.

Мюонная радиография позволяет изучать внутреннее устройство объекта без непосредственного проникновения в него. И в этом её преимущество перед археологическими раскопками, ведь древние предметы бывают очень хрупкими — об этом автор статьи, однажды чуть не уничтоживший по неосторожности древненовгородскую оглоблю, знает не понаслышке. Кроме того, археологи не всегда имеют возможность проводить раскопки в тех местах, где, по их предположениям, должно храниться нечто важное. В нашем случае, чтобы докопаться до истины, пришлось бы пожертвовать церковью Похвалы.

Впервые предложение об использовании космического излучения для решения задач геологоразведки выдвинул академик АН СССР Пётр Лазарев ещё в 1926 году. Но тогда столь подходящие для этой цели мюоны ещё не были открыты.

Одним из первых объектов, исследованных с помощью этих частиц, стала пирамида Хефрена в Египте: в 1969 году нобелевский лауреат по физике Луис Альварес попытался найти в ней пустоты, применив для этого мюонное просвечивание. В 2016 году громкую славу мюонам принесло открытие потайной комнаты в знаменитой пирамиде Хеопса. Подобных открытий в изучении пирамид не было с XIX века.

Сегодня мюонное излучение находит применение не только в археологии: с его помощью изучают вулканы, рудники, ядерные объекты и шахты. Так, вовремя обнаружив пустоты в шахте, можно предотвратить трагедию.

«Давайте я буду светить на вас, а вы на детектор?..»

Мюоны мы не видим и не чувствуем, для нас это естественный фон. О том, как происходила охота на космические частицы в подвалах переславского монастыря, рассказала Наталья Полухина — доктор физико-математических наук, заведующая лабораторией элементарных частиц ФИАНа и научный руководитель проекта.

Метод работает так. Известна примерная плотность объекта, поэтому можно вычислить количество частиц, которые долетят до детектора. Смотрим, сколько их оказалось на самом деле. Если больше ожидаемого, значит, в объекте присутствуют пустоты, если меньше — речь, наоборот, идёт о чём-то плотном, например о крупном камне.

Первым делом учёные осмотрели местность, перемерили высоты строений монастырского комплекса и даже нашли неточности в планах БТИ. Габариты зданий и расстояния между ними необходимо учесть с предельной точностью, чтобы понимать, какой путь пройдут мюоны, прежде чем их поймают детекторы.
Затем нужно было смоделировать эксперимент — определить, куда поставить приборы, чтобы они работали максимально эффективно. Была создана 3D-модель первого исследуемого объекта — церкви Похвалы Божией Матери.

Специально для работ в Даниловом монастыре изготовили 11 детекторов. В Переславле, кстати, находится одна из двух компаний в мире, производящих ядерную фотоэмульсию, которая используется в таких детекторах. Самый маленький прибор установили на чердаке для контрольных измерений, остальные разместили в погребах церквей.

Я прошу игумена показать нам аппаратуру. Пока он ходит за ключами, есть время как следует осмотреться. Дождь прошёл, и с холма, на котором мы находимся, виден весь город: яркие деревянные домики, переливающиеся на солнце купола соседнего монастыря, лес вдалеке, уже подёрнутый золотом. Красиво! Неудивительно, что у отца Пантелеимона чувство, будто он служит в Нарнии:

— Втыкаешь железный прут, а вырастает фонарный столб. И дело не в особенностях почвы, — улыбается настоятель, — а в духовном настроении-устроении.

Мы заходим в маленькую церковь Всех Святых. Лестница, ведущая в подвал, завалена мешками со стройматериалами, мы пробираемся между ними и оказываемся в полной темноте. Пахнет штукатуркой, ладаном и сыростью.

— Эх, лампочка перегорела.

Включаем фонарики на телефонах. Должность настоятеля требует всегда быть на связи, и во время нашей беседы его несколько раз отвлекают звонками.

— Воскресенье — день самый нагруженный, а суббота — суетный, — вздыхает он.

В тусклом свете фонариков детекторы заметишь не сразу. Они прячутся по углам и тихо ловят космические лучи. Мы просим настоятеля встать рядом, для фото.

— Давайте я буду светить на вас, а вы на детектор?
Худощавый игумен в вязаной чёрной шапочке отбрасывает на стену тень Ильи Муромца в булатном шлеме.

— На вас столько света направлено, будто мы в фотостудии. Наверно, не думали, что в монастыре придётся работать моделью?

— Ой, — хмыкает игумен, — была история. В Переславле устраивали конкурс церковных фотографов. К нам пришло человек пятнадцать, всю службу щёлкали. Мне теперь ничего не страшно.

Я рассматриваю повёрнутый к стене детектор. Никак не подумаешь, что этот скромный ящичек способен уловить космические частицы. Внутри несколько слоёв ядерной фотоэмульсии — по сути, она похожа на обычную фотоплёнку, только намного толще. Заряженная частица, пройдя через детектор, оставит дорожку — мюонный трек. Учёные увидят этот след и смогут не только подсчитать количество пролетевших мюонов, но и определить их направление.

Детекторы обладают пространственным разрешением в 1 микрон (одна тысячная миллиметра), которое позволяет различать угловые направления частиц с очень высокой точностью.

Проанализировав первые результаты, физики и сами удивились степени детализации:

— Мы полагали, что объекты размером меньше одного метра распознать не удастся. Но работа в подвале церкви Похвалы Божией Матери показала, что мы замечательно видим объекты в полметра. Методика работает! — объясняет Наталья Полухина. — Мы увидели особенности помещений. Скорее всего, это двери, переходы.

Но для того, чтобы уверенно говорить о деталях, нужно собрать больше информации. Понадобятся дополнительные точки пересечения с детекторов, которые уже переставили и установили под другими углами.

Современные мюонные детекторы очень неприхотливы. Благодаря вакуумной оболочке, защищающей эмульсию, они не пострадают ни в сырых подвалах, ни у подножья вулкана. Их можно оставить на несколько месяцев без присмотра и забрать, когда придёт срок, главное — чтобы во время измерений они были неподвижны.

— Понимание со стороны игумена позволило всё сделать очень аккуратно. Детекторы были под надёжной защитой: их огородили лентой, и никто к ним не прикасался в течение трёх месяцев, — рассказывает Полухина.

Правда, опасные моменты всё равно возникали: однажды подвал подтопило. А виной всему тот самый пруд с крикливыми лягушками. Помогло почти что чудо — как раз накануне завершилась первая часть эксперимента, и устройства перенесли. Сейчас детекторы находятся в другом подвале. Там сухо и компания хорошая: монахи хранят в нём запасы картошки и моркови.

Когда детекторы соберут достаточно информации, начнётся обработка результатов. С помощью специальных микроскопов, различающих изображения с точностью до полумикрона, мюонные треки с проявленной фотоэмульсии оцифрует и проанализирует компьютерная программа. Чтобы сделать это вручную, замечает Наталья Полухина, понадобятся десятилетия:

— Это авторское программное обеспечение. Оно выделяет чёрные точки, образующие трек, и в память компьютера отправляется уже обработанная информация о каждом треке прошедшей через детектор частицы. Потом на основе данных о пространственном распределении треков делается заключение о плотности стены и наличии неоднородностей в её толще.

Самое сложное — анализ полученной информации. Треки нужно правильно идентифицировать, привязать к положению детектора, к объектам, которые находятся вокруг. Тут легко ошибиться — подумать, что нашли большое пустое пространство, в то время как на самом деле это всего-навсего просвет между церквями.

Исследование здания в комплексе монастырских строений — задача геометрически более сложная, чем изучение внутренней структуры огромной пирамиды в пустыне. Кроме того, когда физики обсуждали схему расстановки детекторов на объектах наблюдения, выяснилось, что неизвестные пустоты находятся на одном уровне с подвалами, в которые можно поставить аппаратуру.

Обычно детекторы устанавливают ниже изучаемой области, так как большинство мюонов падает сверху вниз. Оптимальным вариантом для космической охоты было бы выкопать яму глубиной два метра, но физики не рискнули — всё-таки работать пришлось не просто с объектом, а с объектом культурного наследия, историческим памятником! Но в данном случае частиц, падающих с горизонта, оказалось достаточно, хотя информацию пришлось собирать дольше.

«Научпоп — это я!»

Тот факт, что продвинутые технологии практически впервые были опробованы именно в Даниловом монастыре, не удивляет прихожан, хорошо знающих своего батюшку. Выпускник мехмата МГУ, мечтавший некогда об учёбе в США, избрал в результате духовную стезю, но не распрощался с наукой.

— Я с детства любил эпатаж. Зная это, мама как-то сшила мне красные джинсы. Вообще, мне кажется, что аккуратный, нежный эпатаж, который никому не делает больно, а разрушает надуманные границы, вполне допустим в любой среде, в том числе в церковной.

Мы рассуждаем о том, что разговорный, шутливый стиль в Facebook позволяет сломать стену между образом суперсерьёзного настоятеля и простыми людьми. В маленькой церкви голос отца Пантелеимона отдаётся гулким эхом. Говоря о важном, он прикрывает глаза.

— Когда я учился в семинарии, услышал один совет, который дали священнику, отправлявшемуся на приход: «Не забывай маленьких, большие сами о себе напомнят». Мне кажется, подход, когда стараешься не забывать маленьких, с одной стороны, ресурсоемкий, а с другой — правильный. Здания ещё постоят без капитального ремонта, а есть люди, которых надо накормить, полечить и утешить…

— Вернёмся к мюонам, раз у нас научпоп.

— Научпоп — это я, — хихикает батюшка.

С этим не поспоришь.

— Математическое образование из жизни не исключить, — вновь становится серьёзным отец Пантелеимон. — Оно сказывается на том, как я думаю.

— А как вы думаете?

— Любовь к математике формирует такое мышление, что, убедившись в чём-нибудь, начинаешь исходить из этого как из доказанной теоремы. Получается логическая цепочка: если Бог есть, надо жить по-христиански; если по-христиански, то с максимальной самоотдачей. Тут, соответственно, я логично пришёл и к монашеству, и к священству.

Настоятель говорит, что математика научила его абстрактному мышлению, заставляя задумываться о вещах нематериальных и сложных — например, оперировать понятием «бесконечность».

— А хотели вы когда-нибудь, как образцовый средневековый монах, жить вдали от мира, молиться и писать научные трактаты?

— Я так в скиту всё время и проводил, — улыбается игумен.

— Делал переводы, кое-что редактировал, компьютерную лингвистику потихонечку осваивал.

Отец Пантелеимон почти 10 лет прожил в Свято-Преображенском скиту под Серпуховом, прежде чем в 2019 году ему неожиданно предложили стать настоятелем одной из переславских обителей. Сейчас он занимается лингвистическим исследованием богослужебных текстов с применением компьютерных методов и признаётся, что первой прочитанной в Даниловом монастыре книгой стала «Как работает Google».

Несколько лет назад монастырь будто очнулся от тяжёлого сна, в который погрузился в 2016-м после убийства предыдущего настоятеля. Три года преступника не могли поймать, а обитель оставалась без пастыря.

Но приехал отец Пантелеимон, и монастырь оживился: красиво встали указатели на храмы и QR-коды со ссылкой на аудиогид, на сайте появилась возможность безналичных пожертвований, а у Святых врат — велопарковка, недавно начала работать добровольческая служба. Энергичный священнослужитель принял непосредственное участие и в разгадке тайн монастырского подземелья.

«Мы с отцом Родионом некоторое время вручную ловили мюоны детекторами НИТУ „МИСиС“, перед тем как их (детекторы) установили в подвале храма Похвалы. Stay safe, stay tuned. Подробности позже», — прикалывается Пантелеимон на своей страничке. Отец Родион, между прочим, выпускник МИФИ. Оба монаха вместе с учёными пишут научные работы по результатам исследования, в качестве соавторов участвуют сейчас в подготовке большой статьи в физический журнал. И ждут, пока мюоны окончательно раскроют тайны церковных подземелий.

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №1 (46) 2020 г.