От темной материи до нейтрино

В феврале 2025 года мы беседовали с членом-корреспондентом РАН Дмитрием Горбуновым, главным научным сотрудником ИЯИ РАН, в преддверии конференции «Физика фундаментальных взаимодействий», организованной Российской академией наук, Национальным исследовательским ядерным университетом МИФИ и Институтом ядерных исследований РАН.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

За рамками этой беседы остались вопросы о нынешнем состоянии фундаментальных и экспериментальных исследований в физике высоких энергий, ключевых вызовах, стоящих перед учеными, а также перспективах развития российской и мировой науки. Об этом мы решили продолжить разговор на страницах «Ъ-Науки».

Дмитрий Горбунов убежден в том, что фундаментальная наука, которой он занимается, остается динамично развивающейся областью, оказывающей глубокое влияние на все общество. Это отражается не только на изучении происхождения Вселенной, но и, в частности, на развитии медицинских технологий. При этом он отмечает важность дальнейших инвестиций в теоретические и экспериментальные исследования, поскольку вклад России через такие проекты, как NICA, и сотрудничество с ЦЕРНом только подчеркивают роль отечественной науки в этом глобальном процессе.

— Какие главные вызовы стоят сегодня перед физикой фундаментальных взаимодействий? Как вы оцениваете уровень развития этого направления физики в России по сравнению с мировым?

— Тут есть теория, а есть эксперимент. Физика фундаментальных взаимодействий — наука экспериментальная, изучает основные силы и частицы, определяющие устройство Вселенной. У нас имеются установки коллайдерного типа, изучающие поведение частиц при столкновениях при высоких энергиях. Есть электронные коллайдеры в Новосибирске — в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера (ИЯФ СО РАН). В Дубне Объединенным институтом ядерных исследований (ОИЯИ) строится сверхпроводящий коллайдер протонов и тяжелых ионов NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility). Надеемся, что он запустится в этом году. NICA будет изучать столкновения тяжелых ионов для исследования сильного ядерного взаимодействия и кварк-глюонной плазмы. Есть протонный ускоритель У-70 — это не коллайдер, а протонный синхротрон — в Протвино. Он расположен в Институте физики высоких энергий, на момент сооружения (конец 1960-х) его энергия была рекордной, и до сих пор это самый высокоэнергетичный ускоритель в России: на нем проводятся эксперименты на энергиях ниже, чем у Большого адронного коллайдера, но он остается важным для исследований физики частиц.

И прочие машины у нас тоже есть. Они уже несколько меньших энергий, но на них тоже исследуется физика элементарных частиц, поэтому база у нас некоторая остается. Конечно, во многих случаях ее имеет смысл улучшить, потому что любая вещь ветшает и устаревает со временем, а техника у нас, конечно, во многих случаях очень старая. NICA — это, может быть, единственный пример новой установки, ее прямо сейчас строят, а так обычно это что-то такое улучшенное старое.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Но если говорить о самых высоких энергиях, то такой коллайдер, конечно, вообще на Земле один, и это Большой адронный коллайдер. И было бы глупо строить где-то еще второй с такими же свойствами (не говоря уж об экономических и логистических сложностях). Если строить, то уже следующего поколения на еще большей энергии. И есть несколько таких проектов — например, в Китае, в том же ЦЕРНе. И я вас уверяю: если либо Евросоюз, либо Китай скажет, что мы даем деньги и действительно строим такую установку, то второй проект тут же «рассосется». Просто не нужны два таких больших проекта на земном шаре, достаточно одного. И, конечно, тогда все люди, которые занимаются этой экспериментальной физикой, будут участвовать в новом проекте — и из Австралии, я не знаю, и из Новой Зеландии... Короче, со всего мира, потому что это будет такая большая точка притяжения, как сейчас точкой притяжения служит ЦЕРН.

— Ну, тут ценно то, что данные оказываются, по крайней мере достаточно быстро, всем общедоступны...

— Они общедоступны для научного сообщества — неважно, из какой вы страны, но с ними довольно сложно работать, там нужны для этого некие программы, которые эти данные могут корректно обрабатывать, интерпретировать. Это технически очень сложные установки, получение физических результатов, многоэтапный процесс. Это, мягко говоря, сильно ограничивает использование всего этого не узкими специалистами. Получше с этим делом в астрофизике, там как-то проще с открытыми данными.

— Часто задают еще такой «наивный» вопрос — про практическое применение всех этих достижений...

— Ну, смотрите, практическое применение здесь есть. Ведь обеспечить столкновение невидимых частиц друг с другом — это уже весьма нетривиальная задача сама по себе. Люди научились очень хорошо управлять этими пучками частиц. А пучки частиц можно использовать, например, для изготовления короткоживущих изотопов, применяемых в медицинской диагностике и лечении рака,— для ядерной медицины. Все это изучают непосредственно в нашем институте, в лаборатории радиоизотопного комплекса отдела экспериментальной физики ИЯИ РАН.

Есть практические применения для мониторинга ядерных реакторов. Детекторы нейтрино, образующихся в слабых распадах, позволяют измерять спектры антинейтрино, испускаемых реакторами, что дает информацию о составе изотопов и состоянии реактора без инвазивных методов. Антинейтрино из реактора вылетают совершенно свободно. Вы ставите детектор, учитесь измерять аккуратно спектр антинейтрино, то есть узнаете, частицы каких энергий вылетают из реактора. И после этого у вас появляется дополнительный метод мониторинга того, что происходит внутри ядерного реактора: какие там изотопы, что там происходит.

Или вот еще солнечные нейтрино. С их помощью можно понять, что происходит внутри Солнца. Именно внутри, а не на поверхности. Ведь основные термоядерные процессы, синтез гелия из водорода, происходят внутри звезды. Нейтрино оттуда вылетают, мы измеряем их спектр и понимаем, какой у Солнца внутренний состав, как там все устроено. В принципе это ближайшая к нам звезда, и нужно понимать, что с ней происходит.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Да, на всех нас это отражается, тем более что телекоммуникации сейчас чрезвычайно важны…

— Также и с геонейтрино — в принципе есть и такое, можно сказать, «народно-хозяйственное» применение.

— А там практические какие-то результаты уже видны? Что-то можно узнать о составе недр?

— Ну, пока это начало, в двух крупных экспериментах были зарегистрированы геонейтрино — KamLAND (Япония) и Borexino (Италия). Был измерен их поток, спектры люди посмотрели. Но просто представьте себе: у вас вся Земля излучает эти нейтрино. Вот вы поставили детектор, но где? На поверхности. Хорошо бы внутри горы, но это все равно где-то пара километров от поверхности. Понятно, что набор данных в первую очередь будет от тех источников, которые рядом с вами. То есть от залегания тех элементов, которые рядом с местным расположением детектора, первые там 10, 20, 50, 100 км — вот отсюда будет набираться основной поток событий. Сейчас пока зарегистрировано немного событий, и в этом смысле они могут нам рассказать о том, как устроена локальная структура Земли вблизи этого детектора, ну, на глубину 100 км, грубо говоря, а чтобы увидеть что-то глубже, нужно либо куда большего размера детекторы, либо большее число событий собирать, потому что нейтрино редко оттуда прилетают — это просто геометрический фактор. Либо нужно построить сетку из таких детекторов по всей Земле, чтобы, как энцефалограмму с разных точек на голове, собирать сигналы. Вот берем разные точки на Земле — с них нужно собирать сигнал и тогда анализировать полный сигнал с разных направлений от Земли. И тогда получится поточнее. То есть нужны либо очень большие детекторы — куда больше, чем сейчас у нас эксплуатируются, либо распределенная сетка детекторов.

— А на чем сосредоточены ваши научные интересы? Чем вы заняты сейчас?

— Мы пытаемся изучить детально механизм рождения стерильных нейтрино, темной материи. Темную материю, как известно, должны составлять частицы, участвующие почти исключительно в гравитационных взаимодействиях и не участвующие в электромагнитных. Есть всякие разные гипотезы, что же это может быть за вещество, но одна из гипотез говорит, что это могут быть такие стерильные нейтрино. И есть механизмы их рождения в ранней Вселенной, вот у нас и появилось некое развитие в этом направлении — как обеспечить более эффективное рождение в эпоху сильного фазового перехода, КХД-перехода, в ранней Вселенной. Есть идеи, как это рождение в первичной плазме могло бы быть усилено.

— Ну, это все теоретически?

— Я теоретик. Все мои исследования сугубо теоретические. Однако они привязаны к наблюдениям. Например, описание процесса формирования какой-нибудь карликовой галактики, но теоретическое описание. Это модели формирования структуры. Есть специфического вида темная материя, и вот как проверить гипотезу, что это именно такого типа темная материя может быть? Можно посмотреть на эти карликовые галактики и уточнить, как они вращаются, изучить так называемые кривые вращения, зависимость скорости звезд от расстояний от центра. И уточнением такого рода наблюдаемых данных я делаю новые предсказания, а потом предлагаю экспериментаторам их проверить, посмотреть в телескоп и убедиться, что, действительно, так звезды вращаются с такими вот скоростями — в зависимости от расстояний до центра, и как должны изменяться скорости. То есть я делаю предсказания, потом предлагаю экспериментаторам их проверить.

— Но стерильные нейтрино ведь и сейчас остаются сугубо гипотетическими частицами?

— Так все кандидаты на роль частиц темной материи потому и называются кандидатами, что мы пока не обнаружили их в явном виде. Поэтому все это, конечно, гипотезы. Существует много экспериментов, где их пытаются найти, проверить те или иные варианты. Вот у меня, например, доклад на прошедшей конференции был посвящен одному такому экспериментальному проекту, предложенному много лет мной с соавторами,— SHIP (Search for Hidden Particles).

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

В прошлом году он был одобрен для проведения в ЦЕРНе. Экспериментальный проект по поиску легких новых гипотетических частиц, причем прямому поиску. То есть у вас протонный пучок бьет по мишени, и если там появляются новые очень слабо взаимодействующие частицы, то они проникают через всю защиту, и если они дальше распадаются в детекторе, то мы видим две заряженные частицы, которые летят как бы из ниоткуда. Вот такого типа эксперимент будет реализован в ЦЕРНе через несколько лет. Он должен будет показать очень хорошую чувствительность к новым частицам с небольшими массами, при этом очень слабо взаимодействующим. В частности, это интересно для многих моделей, объясняющих нейтринные осцилляции, и моделей, которые могут объяснить, почему у нас во Вселенной такая асимметрия между материей и антиматерией. Мы с вами состоим из вещества, античастицы вокруг не летают. Куда они делись? Есть модели, которые объясняют, как это могло бы произойти в ранней Вселенной, а их проверить, в частности, можно было бы на этой установке.

— А с ЦЕРНом какое сейчас взаимодействие? Ведь там большие сложности с российскими учеными?

— Там такая история. Они не дают участвовать в новых экспериментах, но оставили Объединенный институт ядерных исследований в старых экспериментах. А история с SHiP такая… Я сказал, что это новый эксперимент, но, вообще говоря, это проект, который развивался, улучшался и так далее на протяжении десятка лет. Он был инициирован в 2013 году, и наш институт и ОИЯИ уже участвовали в этом проекте, и в этом смысле для ЦЕРНа это старый проект, и мы можем продолжать в нем участвовать. В частности, в ОИЯИ образуется научная группа, которая будет продолжать это делать.

— Хорошо, отлично. Ну, а такой, не знаю, свободный немножко вопрос напоследок, наверное. Что бы вы хотели сказать тем, кто интересуется физикой фундаментальных взаимодействий, но пока не принимает участия в конференциях?

— Нужно продолжать дальше учиться, и у вас все получится! Это очень интересная наука, она очень активно развивается. Здесь ожидается получение много интереснейшей информации — например, в наблюдательной космологии. И мы ожидаем запуска новых экспериментальных проектов. У нас хорошие перспективы узнать что-то новое. И о физике — вот такой фундаментальной, и о нашей Вселенной сегодня, и о нашей Вселенной в прошлом. То есть сейчас очень большой прогресс именно в экспериментальной области.

Подготовлено при поддержке пресс-службы ИЯИ РАН