Зачем нам ловить нейтрино?
Объясняет Валерий Борисович Петков, доктор физико-математических наук, заведующий Баксанской нейтринной обсерваторией Института ядерных исследований РАН.
Валерий Борисович, вы работаете здесь, в Баксанской нейтринной обсерватории, можно сказать, всю свою научную жизнь…
— В первый раз я приехал на практику, это был 1979 год. Представьте себе студента, который оказался там, где проводится гигантский эксперимент, — это вам не лабораторная работа. Сразу множество задач, абсолютно новая область — конечно, такое захватывает. Тем более я заканчивал кафедру теоретической и ядерной физики, а тут — такой мощный эксперимент. Попал я сюда по совету моего тогдашнего научного руководителя Григория Моисеевича Верешкова, и это оказалось действительно интересно. В 1980-м, окончив физический факультет Ростовского университета, я начал тут работать. Конечно, и в Ростовском университете учёные занимались современной физикой по целому ряду направлений — лазерная физика, радиофизика, физика полупроводников. Но Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп — БПСТ — был первой в мире подобной установкой по объёму, да и вообще обсерватория была и остаётся единственной в мире, для создания которой специально прокладывали тоннель в горе. Первое нейтрино из нижней полусферы Земли зарегистрировали здесь в 1978 году, с тех пор идёт регистрация нейтринных событий. Установку «Ковёр» запустили в 1973 году. «Ковёр» замечателен тем, что представляет собой точную копию одного из слоёв БПСТ, там разрабатывали методику проведения экспериментов на БПСТ. А затем началась регистрация широких атмосферных ливней космических лучей — ШАЛ — с энергиями больше 100 ТэВ. В целом установка оказалась очень полезна, и это было даже неожиданно.
— А что было неожиданным?
— Обычно, когда хотят изучать ливни от частиц больших энергий, то располагают много детекторов на достаточно большой площади, хотя бы на десяти тысячах квадратных метров. А тут ливневая установка в целом небольшой площади, но зато состоящая из центральной части с непрерывной площадью регистрации, примерно в 200 квадратных метров, и шести выносных пунктов регистрации вокруг. И выясняется, что она может дать уникальные данные о сечении генерации струй частиц с большими поперечными импульсами. Позднее такие данные были получены на ускорителях, но сначала — здесь, именно благодаря такой структуре установки. Затем проводилось изучение структуры центральной области ливня, был измерен спектр центральных плотностей ШАЛ. Это то, что разреженные установки дать не могли. Они не плохие, просто у каждой своя область изучения. Потом мы стали установку развивать, поставили мюонный детектор, 175 квадратных метров, который назвали «Ковёр-2». Сейчас у нас мюонный детектор — уже 410 квадратных метров. Вокруг большое количество выносных пунктов регистрации, для того чтобы использовать преимущества обоих подходов.
На первом месте сейчас у нас гамма-астрономия. Есть такие удивительные объекты — гамма-всплески. У нас, например, было зарегистрировано совершенно уникальное событие от гамма-всплеска GRB 221009A в 2022 году. А 9 октября 2022 года зарегистрировали на спутниках всплеск гамма-излучения, следом установка LHAASO в Китае — она гораздо больше, чувствительность выше — зарегистрировала тысячи фотонов с энергиями до 18 ТэВ в первые 2000 секунд после начала всплеска. Но затем мы зарегистрировали единственное событие с рекордной энергией от этого направления через 4536 секунд после начала всплеска. Сейчас заканчивается его обработка, потребовалось много времени, чтобы провести моделирование. Если это гамма-квант с энергией 230 ТэВ — никто такого не регистрировал, только мы.
Этот гамма-всплеск произошёл на очень большом расстоянии, 720 мегапарсек, далеко за пределами нашей Галактики. Гамма-кванты таких энергий не должны были дойти оттуда до Земли, из-за микроволнового фона такие частицы должны были поглотиться.
— Но они всё же дошли?
— Мы оцениваем вероятность того, что это всё-таки случайное совпадение и к нам пришёл гамма-квант из другого объекта, смотрим, есть ли вблизи другие галактические источники. Можно предположить, что на самом деле пришёл высокоэнергичный первичный протон, а не гамма-квант, но всё-таки наиболее вероятно, что это именно гамма-квант. Мы разделяем первичные протоны и более тяжёлые ядра от гамма-квантов по числу мюонов в мюонном детекторе. Сейчас работа по оценкам вероятности у нас заканчивается, готовится статья на эту тему. Мы не можем сказать, что гамма-квант обязательно из той или иной области, но указываем вероятность. Если событие произошло от гамма-кванта, пришедшего с таких больших расстояний, это сразу даёт шанс для выхода за пределы Стандартной модели. То, что теоретики любят называть «новой физикой».
— Почему именно вам удалось увидеть это событие?
— Тут интересный момент. Как с обычными оптическими телескопами: есть двадцатиметровые, есть полуметровые, двухметровые — и все работают, у каждого своя область применения. Так и здесь: такие установки, как наша, могут видеть уникальные события. Конкурировать с более крупными установками при изучении постоянных источников нам довольно сложно. Большая установка, например, перебьёт нас статистикой, количеством регистраций. А при изучении транзиентов, то есть вспышечных событий, важно, кто успел увидеть и в какой фазе. Вывод простой: нужно наблюдать на всех установках. Чем больше у нас будет разных установок, тем большая вероятность увидеть редкие события.