Российская наука не теряет своего авторитета за рубежом, несмотря на антироссийские санкции, экспертиза ученых из РФ нужна многим странам мира. Об этом, а также о достижениях российской и мировой астрофизики, связях наших ученых с зарубежными коллегами и о самой науке в особенности рассказал главный научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН, член-корреспондент Российской академии наук Сергей Троицкий. Беседовал Иван Бельков.
– Что представляет собой фундаментальная наука? На каких принципах она строится? Может ли фундаментальная наука помочь людям в обыденной жизни?
– Любое исследование в фундаментальной науке продвигает научно-технический прогресс. Постоянно бывает так, что ты изучаешь что-то абстрактное и связанное только с главной темой твоего исследования, но методы, разрабатываемые для него, оказываются полезны на практике. Поэтому развиваются не только основное направление исследования, но и смежные с ним сферы, которые зачастую обеспечивают продвижение технического прогресса. Таким образом, и наука, и технологии двигаются вперед благодаря достаточно абстрактным и фундаментальным исследованиям.
Я могу объяснить природу фундаментальной науки, процитировав указ нашего президента о стратегии научно-технологического развития Российской Федерации. В нем четко прописывается, что представляет собой фундаментальная наука: "Ключевую роль в подготовке научно-технологического сектора страны к новым большим вызовам должна сыграть российская фундаментальная наука, обеспечивающая получение новых знаний и опирающаяся на внутреннюю логику своего развития". По-моему, правильно сказано. Фундаментальная наука следует своей логике развития. И многовековой опыт человечества говорит, что все (а не некоторые) фундаментальные исследования в результате существенно улучшают жизнь людей, причем заранее неизвестно, каким образом и когда это случится. Как только становится возможным сказать, каким именно образом, – это уже не фундаментальное исследование, а прикладное.
Есть хорошие примеры, связанные именно с развитием фундаментальной науки и дальнейшим внедрением ее достижений в обыденную жизнь. Один из самых известных примеров – это существенное снижение цен на МРТ-диагностику в результате разработки новых технологий для производства сверхпроводящих магнитов для Большого адронного коллайдера. Тем не менее сама фундаментальная наука по своей природе не имеет прикладного характера и сильно отличается от своих практических ответвлений. Фундаментальная наука нуждается в постоянной верификации и подтверждении полученных данных со стороны независимых источников. Могу привести пример из своей области. Больше десяти лет исследования астрофизических нейтрино высоких энергий шли на основе данных одного эксперимента, IceCubeна Южном полюсе. Но совсем недавно существование таких нейтрино подтвердил растущий нейтринный телескоп в озере Байкал.
Стоит сказать также, что наши результаты добываются в очень долгой и усердной работе. Мы работаем десятилетиями, а результат не всегда заметен, отчетливее мы видим это именно в фундаментальной физике. Например, из всех нейтрино, которые прилетают к нам из космоса и попадают в установку, только малая часть регистрируется. Примерно одно из 100 тысяч. При высоких энергиях накапливается всего несколько событий за год. К этому прибавляется проблема нашей атмосферы: нейтрино, которые прилетают к нам, не все имеют отношение к космическим телам, многие появляются из-за взаимодействия других частиц с нашей атмосферой, что затрудняет проведение исследований.
– Чем интересны последние открытия Байкальской нейтринной обсерватории?
– Самый неожиданный результат, полученный нами с коллегами по двум экспериментам – как по опубликованным данным IceCube, так и по новым данным Baikal-GVD, – это нейтринное излучение нашей Галактики, Млечного Пути, при самых высоких энергиях – выше 200 тераэлектронвольт, при которых его не предполагали увидеть.
Зарубежные коллеги из IceCubeдаже не смотрели на такие высокие энергии, потому что, согласно общепринятым теоретическим моделям, не должны были там ничего увидеть. В астрофизике принято делать результаты наблюдений публично доступными, и в данных IceCube мы случайно обнаружили Млечный Путь при высоких энергиях, просто увидели на нейтринной карте неба. Можно было увидеть своими глазами упущение IceCube. А когда в астрономии что-то видно собственными глазами, то это уже очевидное открытие. Поэтому, когда Байкальский эксперимент набрал достаточно много данных, мы указали нашим коллегам на эти результаты. В Байкальском эксперименте эффект оказался еще более бросающимся в глаза. Открытие нейтринного излучения нашей Галактики, Млечного Пути, при таких высоких энергиях означает, что модели, основанные на предположениях о галактических космических лучах, неправильны.
– Как научные результаты астрофизиков помогут нам осваивать космическое пространство?
– У нас уже летают аппараты за пределами Солнечной системы. Например, Voyager и Pioneer давно запущены. Это говорит о том, что при нынешних темпах развития техники скоро полеты за пределы Солнечной системы станут массовыми. Поэтому нам стоит пристальнее относиться к космическим лучам. На нашей планете нас от космического излучения защищает земное магнитное поле. На большинстве спутников и МКС летать безопасно благодаря этому магнитному полю. Почему на Марс-то сложно полететь? Потому что в космосе защиты от космических лучей не будет.
Следовательно, если возникнет задача полететь далеко за пределы Солнечной системы, а я уверен, что такая задача будет поставлена в ближайшие десятилетия, то тогда нам нужно знать, какие там космические лучи, и есть ли там близкие источники мощных космических лучей. Благодаря нашим исследованиям в будущем мы сможем установить, где находятся такие источники, что значительно повысит нашу безопасность в космическом пространстве. Хотя сейчас об этом говорить пока рано.
– Какие есть преимущества у нашего Байкальского телескопа по сравнению с другими? Что у наших ученых получается делать лучше всех в мире?
– У всех нейтринных телескопов один общий принцип, который придумали еще в СССР наши ученые, М.А. Марков и И.М. Железных. Суть его заключается в том, что для регистрации нейтрино высоких энергий используется большой объем природной воды. Взаимодействуя с веществом воды, нейтрино рождает вторичные частицы, которые в свою очередь излучают свет (излучение Вавилова-Черенкова). Поэтому установка для регистрации нейтрино – это кубический километр воды или льда, в который погружены детекторы этого излучения. Размеры установки при желании можно расширить. Большими площадями установок компенсируется малая вероятность регистрации. И таких телескопов в мире пока три: американский IceCube на Южном полюсе, KM3NeT в Средиземном море и наш Байкальский. Вместе эти телескопы связаны в глобальную нейтринную сеть, между ними подписано соглашение о сотрудничестве.
Если говорить о недостатках и преимуществах, то Средиземноморский телескоп еще очень маленький – в семь раз меньше, чем на Байкале, и в десять раз меньше, чем IceCube. Последний, самый крупный и давно запущенный, работает во льду, который приходится проплавлять на несколько километров в глубину за большие деньги, а затем опускать и вмораживать в него дорогостоящее оборудование, все это очень затратно.
Самая главная беда американских коллег – это именно лед. Вдобавок к техническим сложностям, в лед может что-то вмерзнуть, например, пыль от вулкана, воздушные пузыри или еще что-то. Из-за этого прозрачность меняется, следовательно, труднее определить направление прихода нейтрино, картинка размывается. В данном случае наша Байкальская обсерватория со своими характеристиками уникальна. Изучив свойства воды и льда с помощью лазерных источников света, а затем использовав эти измерения при компьютерном моделировании, ученые установили, что область на небе, откуда приходит конкретное нейтрино, для байкальского эксперимента в 16 раз меньше, чем для ледового. Значит, точность определения источника лучше в 16 раз.
С этим связана и проблема качества данных, которые предоставляет IceCube. Я как человек, работающий с этими данными, вижу, что это беда. Это беда выражается в том, что они сегодня публикуют данные, которые через год или два меняют, даже старые данные, которые пришли пять-десять лет назад, тоже приходится обновлять. Они сами признают свои ошибки и говорят, что сигналы, которые проходят через лед, регистрируются недостаточно точно. И они сами пишут, что это результат того, что они плохо знают свойства льда. На одной из конференций я прямо спросил руководителя их проекта Фрэнсиса Хальзена. После его блестящего доклада я задал ему вопросы: "Ваши результаты окончательные? Можно с ними работать? Или завтра опять все поменяется?". Он честно сказал, что, может, они и поменяются.
Именно чистая вода Байкала, в которой проводится эксперимент, позволяет добиться существенного повышения точности определения направлений нейтрино, так важной для астрономии.
– Глобальный подход к изучению нейтрино продолжает работать?
– Еще в советское время байкальский проект был международным, в его развитии принимали участие многие страны. Сейчас мало что изменилось в этом плане. Среди авторов статей Байкальского эксперимента – ученые из Чехии, Словакии, Казахстана.
Сейчас нейтрино активно изучает Китай. Лет 20 назад им удалось сделать успешный эксперимент, после него они решили серьезно развивать астрофизику. Многие удивляются, что китайские ученые хотят построить нейтринный телескоп объемом 30 кубических километров на Байкале (проект HUNT). Однако китайцы ценят опыт наших ученых, практичность и дешевизну используемых подходов и готовы с нами сотрудничать.
Группа ученых из ИЯИ РАН участвует в большом проекте LHASSOв Тибете. Сейчас там находится отдельная российская установка, называется ENDA-LHAASO. Она регистрирует нейтроны и работает в связке с двумя китайскими, дополняя информацию о космических частицах. Китайские ученые, напротив, приезжают к нам со своим оборудованием и проверяют его на Байкале. Это не удивительно, ведь сейчас золотое время для Байкальского эксперимента, наша обсерватория собрала достаточное количество данных, которые всех привлекают. Можно повторить, что в озере Байкал работает самый мощный нейтринный телескоп, использующий жидкую воду, он же – самый большой в Северном полушарии.
– Наши ученые с большим накопленным опытом могут выступать проводниками для других стран в нейтринную физику и астрофизику?
– Я не могу говорить за все направления и страны мира, могу рассмотреть конкретные примеры. Мы помогали китайцам в строительстве и запуске масштабного проекта – гигантского детектора реакторных нейтрино JUNO. Наши ученые приносят там большую пользу, иначе бы их не звали. Когда-то я решил посчитать, сколько там специалистов из разных стран. Больше всего, конечно, оказалось китайцев, однако если число китайцев в JUNOподелить на население Китая, а число российских ученых в этом проекте – на население России, то окажется, что удельный вес наших ученых там больше.
Еще мы давно сотрудничаем с международным экспериментом Telescope Array в штате Юта. Изначально в этом известном проекте принимали участие Япония и США, потом к ним присоединились Россия и Южная Корея. Именно в этом эксперименте была зарегистрирована частица колоссальной энергии, получившая имя Аматэрасу. Вдаваться в подробности этого открытия я не буду. Могу указать на тот факт, что статьи, вышедшие за последние два года в коллаборации с этим проектом, почти все сделаны нашей российской группой ученых. Статьи по результатам таких крупных экспериментов всегда имеют много авторов, ведь каждый, кто внес вклад в создание и работу установки, внес вклад и в этот результат. Но всегда есть небольшая группа ответственных авторов, которые проводили именно этот анализ данных. В последние несколько лет большая часть статей Telescope Array сделана российскими учеными. То есть наши российские ученые принимают активное участие в масштабных международных проектах и экспериментах, так как их экспертиза там необходима.
Также есть успехи в сотрудничестве с Японией. Там расположена мегаустановка T2K (Tokai to Kamioka), это 300 километров пути нейтринного пучка сквозь землю, что позволяет напрямую изучать свойства нейтрино. Чтобы это сделать, нужны два детектора, и один из них был создан в Троицке в ИЯИ РАН. Наши ученые придумали совершенно новое устройство детектора, который состоит из двух миллионов прозрачных пластиковых кубиков и может восстанавливать траектории проходящих через него частиц с большой точностью. Они все исследовали, построили математическую модель, сделали прототип, протестировали его здесь на маленьком ускорителе и получили одобрение международной коллаборации. И в эти трудные годы отвезли его в Японию, теперь он там работает. Это еще один пример непрекращающегося сотрудничества наших ученых с зарубежными коллегами. Для понимания фундаментальных законов природы требуются совместные усилия исследователей всего мира.
