«Новая физика, конечно, должна быть». Как наши физики «ловят» космические частицы с энергией, которую невозможно получить даже на Большом адронном коллайдере

В Республике Бурятии, между озером Байкал и озером Хубсугул, раскинулась Тункинская долина — незатопленная низменность, окруженная Восточным Саяном и хребтами Хамар-Дабана. Когда-то долина была озером, а теперь на ее территории, помимо местных жителей, которые выпускают пастись на плодородные бескрайние луга табуны лошадей, живут и работают ученые.

На территории долины расположен Тункинский астрофизический центр Иркутского государственного университета (ИГУ). Один из перспективных экспериментов, над которым работает международная команда специалистов, в том числе новосибирские физики из ИЯФ СО РАН и НГУ, направлен на «поимку» космических частиц с энергией, которую невозможно получить даже на Большом адронном коллайдере.

Гамма-обсерватория TAIGA занимает площадь один квадратный километр: там размещено оборудование, способное регистрировать гамма-кванты с энергией выше 100 ТэВ и находить на небе источники таких высокоэнергетических частиц — сверхновые, блазары и другие объекты.

«Человек всегда чувствовал свою зависимость от неба, недаром многие созвездия названы именами древних духов и богов. Мы смотрим в небо столько, сколько живем на этой планете, и пытаемся понять: а что там?» — рассуждает Николай Михайлович, пока наливает нам кофе у себя в кабинете. За окном уже темно, на небе появляются первые звезды. О небе мы и начали наш разговор.

[Naked Science]: Николай Михайлович, расскажите, пожалуйста, какие задачи сегодня стоят перед учеными-астрофизиками? Небо такое огромное! Что мы в нем ищем и знаем ли, куда смотреть? А главное, зачем?

[Николай Буднев]: Знаете, в советские времена была такая популярная песня «Мы — дети Галактики». С точки зрения физика это буквально констатация факта. Ведь каждый атом, из которого мы сделаны, был когда-то в составе какой-то звезды, а может, многих звезд, после взрыва которых образовалась наша вторичная Солнечная система, а впоследствии и мы с вами. В связи с этим самый главный вопрос, который людям интересен: откуда все это взялось и что дальше с этим будет?

Все, что мы сейчас знаем о Большом взрыве, о последующей эволюции Вселенной и процессах, которые происходили вплоть до настоящего времени, описывается Стандартной моделью. В целом данная модель достаточно хорошо это делает, тем не менее к ней есть вопросы, которые не имеют ясных ответов на сегодня. Например, почему в видимой части Вселенной мы наблюдаем преобладание вещества над антивеществом, хотя, казалось бы, его должно быть одинаковое количество.

Вопрос такого же (а может, и большего) масштаба: что есть темная материя? Огромное количество экспериментальных данных подтверждает ее существование и то, что ее примерно в десять раз больше, чем адронной материи. Но что это такое, пока непонятно. Или вот темная энергия, которая отвечает за расширение Вселенной с ускорением…

Все это представляет огромный интерес. Разумеется, для тех, кто задумывается.

[NS]: Какими вопросами занимаются ученые международной коллаборации гамма-обсерватории TAIGA?

[НБ]: Вопросов к небу много, есть и меньшего масштаба, чем темная материя или темная энергия, но от этого не менее удивительных. Например, 111 лет назад (в некотором смысле круглая дата) австрийский физик Виктор Гесс доказал, что на Землю приходит некое ионизирующее излучение из космоса. За открытие космических лучей в 1936 году он получил Нобелевскую премию.

Теперь мы знаем, что зарегистрированные им лучи — это частицы широких атмосферных ливней, то есть каскадов, возникающих в атмосфере в результате взаимодействия с ней на больших высотах ядер и гамма-квантов.

Несмотря на то что открытию космических лучей более 100 лет, к сожалению, физики, исследовавшие их, не смогли продвинуться в понимании природы этих высокоэнергетических частиц. Дело в том, что изучать получалось только заряженные частицы, а они, двигаясь в Галактике под действием магнитного поля, «забывают» направление на своего «родителя». Их траектории настолько искажаются, что они приходят на Землю совершенно не оттуда, где родились.

Восстановить правильное направление и реально изучать источники можно, регистрируя либо нейтрино, либо гамма-кванты. Эти два типа носителей информации сохраняют направление на источник. И тех, и других рождается одинаковое количество, но нейтрино очень трудно регистрировать. Для понимания: нейтринный телескоп размером один кубический километр будет регистрировать одно нейтрино в год, а гамма-телескоп площадью один квадратный километр — один гамма-квант за три часа от того же источника.

В мире наиболее успешными гамма-телескопами можно назвать MAGIC II (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope) на Канарских островах, HESS (High Energy Stereoscopic System) в Южной Африке и VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) в США. С помощью этих установок зарегистрировали, нашли и более или менее изучили больше 200 источников гамма-квантов с энергией выше 1 ТэВ.

Но гамма-квантов с энергией больше 50 ТэВ, которые нас как раз интересуют, зарегистрировано буквально… по пальцам пересчитать. Поштучные события ничего не скажут нам ни об источнике, откуда прилетели частицы, ни о возможных механизмах ускорения до таких энергий. Чтобы получать информативные данные, нужно изучать спектр нейтрино или гамма-квантов.

Все перечисленные мною установки включают в себя от двух до пяти черенковских телескопов, и их эффективная площадь существенно меньше одной десятой квадратного километра. А чтобы регистрировать и изучать сверхэнергетические частицы, площадь установки должна быть не меньше квадратного километра.

Это долгая подводка к тому, чтобы сказать: гамма-обсерватория TAIGA — первая в мире черенковская установка площадью один квадратный километр, которая способна регистрировать гамма-кванты с энергией выше 100 ТэВ.

Преимущество нашей обсерватории в том, что она гибридная. И, помимо черенковских телескопов, которых сейчас у нас три, четвертый в процессе монтажа, а пятый, надеемся, будет построен в будущем году, она оснащена и другими видами детекторов, в том числе относительно дешевыми широкоугольными черенковскими детекторами и сцинтилляционными счетчиками, как полученными нами от европейских участников коллаборации, так и специально разработанными и изготавливаемыми для нашего эксперимента коллегами из ИЯФ СО РАН и НГУ.

[NS]: И какие возможности дает сочетание различных видов оборудования?

[НБ]: Одна задача — изучение механизмов генерации частиц с высокими энергиями в разных источниках. Например, сейчас мы уже регистрируем частицы, прилетающие к нам из Крабовидной туманности, то есть от остатков взрыва сверхновой. Есть еще блазары.

У разных источников могут быть свои механизмы рождения гамма-квантов: например, на жаргоне физиков, лептонный и адронный механизмы. Другая задача, для решения которой как раз нужны сцинтилляционные счетчики, — продвижение в область еще более высоких энергий, сотни ПэВ. Обнаружение фотонов с такими энергиями с самых разных точек зрения может быть указанием на проявления Новой физики. Это может говорить о нарушении Лоренц-инвариантности, да даже с темной материей это может быть связано.

Пока что уровень доступных нам энергий такой же, как у других установок, но благодаря гибридности нашего эксперимента и постоянному развертыванию нового оборудования мы надеемся повысить его на порядок.

[NS]: Гамма-обсерватория находится на стадии развития — как количественного, так и качественного, идет модернизация оборудования, но, может быть, уже можно говорить о каких-то научных результатах?

[НБ]: Наш эксперимент находится на стадии сбора данных, а это ведь долгий процесс, причем, как и в любом научном эксперименте, где требуется много статистики, много времени займет и ее обработка. Пока мы в основном обработали только данные за 2019-2020 год.

Как я и говорил, чтобы изучить источники, откуда к нам прилетели гамма-кванты, и механизмы ускорения этих частиц до высоких энергий, нужно строить спектры. Каждый год мы получаем данные, которые уточняют спектр, результаты наших работ вкратце можно так и описать: уточняем данные о спектрах различных источников. С каждым новым набором статистики и ее обработкой мы продвигаемся в область более высоких энергий. Когда мы продвинемся еще дальше, то получим четкое различие, что и откуда берется, то есть как в конкретном источнике идет генерация частиц.

[NS]: Хочется ли вам найти указания на существование Новой физики? Или хорошо, когда все ладно и складно, как сейчас предсказывает Стандартная модель?

[НБ]: Чем больше мы знаем, тем больше мы не знаем. Я студентам всегда привожу пример с Робинзоном Крузо, чтобы проиллюстрировать эту фразу. После того как он освоил один кусочек острова, периметр той территории, которая ему неизвестна, расширяется, граница с неизвестным увеличивается. Так и у нас. Новая физика, конечно, должна быть, ведь путь познания бесконечен.

[NS]: И тем прекрасна наука… Николай Михайлович, а как обстоят дела с молодыми кадрами в проекте?

[НБ]: Человек от рождения любопытен, а все дети — исследователи. Когда ваш ребенок роется в шкафу или что-то разбирает, он делает это не для того, чтобы устроить беспорядок либо сломать вещь, а чтобы понять, как тут все устроено. Другое дело, что обществу это не нравится, потому что наводить порядок — хлопотно. Вот так мы и отучаем детей от любопытства, а потом имеем тех, которых имеем, — школьников и студентов, которым все равно.

Конечно, раньше вода была мокрее, но я точно могу сказать, что любознательность объективно снизилась, интерес к науке падает. Но так не только у нас, так во всем мире. Какое-то количество «выродков», от слова «вырождение», идет в науку. Идти-то идет, но, если раньше это было массово и физики были в почете, то теперь посмотрите на статистику: за последние пять лет число выпускников школ Иркутской области, которые выбирают ЕГЭ по физике, сократилось с трех тысяч до полутора тысяч. В два раза! А вы говорите об интересе. И интерес падает ко всем наукам.

[Naked Science]: Что вам самому нравится в науке, в исследовательских проектах, в которых вы принимаете непосредственное участие?

[НБ]: Это же мечта идиота, когда сочетаются возможности заниматься физикой, ну и вообще какими-то исследованиями, да еще в таких живописных местах. Здесь понимаешь, что работа физика — она еще и физическая. Все мощно, крупно, масштабно! Я обожаю такое.

*Татьяна Морозова (автор) — сотрудник пресс-службы ИЯФ СО РАН