Как выбрать нужные частицы из квадриллионов пролетающих мимо

Временно исполняющий обязанности директора Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН, доктор физико-математических наук, профессор РАН Максим Либанов в интервью «Ъ-Науке» рассказал о своей жизни и работе.

— ИЯИ РАН находится на мировом уровне по крайней мере по трем направлениям: а) поиск стерильных нейтрино; б) наработка редких изотопов; в) сильный набор теоретиков — выход за пределы Стандартной модели. Где еще институт добился успехов?

— В первую очередь я хотел бы сказать несколько слов о тех трех направлениях, которые вы перечислили. Институт действительно занимает лидирующие позиции в направлении поиска стерильных нейтрино, то есть нейтральных частиц с полуцелым спином непосредственно не взаимодействующих с полями Стандартной модели (СМ) в отличие от активных нейтрино, которые входят в состав СМ и за исследования свойств которых за последние 25 лет было присуждены три Нобелевские премии. Так, нами на установке «Троицк-ню-масс» (Троицк) недавно получены лучшие в мире ограничения на существование стерильных нейтрино с массой в области 1 кэВ. Завершился сбор данных в эксперименте BEST, проводимом в Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) ИЯИ РАН (пос. Нейтрино, Кабардино-Балкарская Республика) по поиску стерильного нейтрино с массой в районе 0,1 эВ. В настоящее время идет обработка полученных данных.

Не менее значимы наши достижения и в области исследований активных нейтрино. Так, эксперимент SAGE (БНО) совместно с экспериментом GALLEX (Gran Sasso, Italy) надежно установили, что проблема дефицита солнечных нейтрино действительно существует. В этих экспериментах измерялся поток только электронных нейтрино от Солнца. И полученные результаты безусловно стимулировали измерение полного потока, включая потоки мюонных и тау-нейтрино, что было сделано в нейтринной обсерватории Садбери (Канада). Оказалось, что полный поток соответствует ожидаемой величине, а это означает, что нейтрино могут осциллировать, то есть переходить из одного типа в другой. За это открытие была вручена Нобелевская премия 2015 года. Замечу, что наиболее естественное объяснение нейтринных осцилляций заключается в предположении, что нейтрино имеют массу, причем разные типы — разные. В СМ активные нейтрино безмассовые, наличие у них масс запрещено симметрией СМ. Это означает, во-первых, что СМ неполна, а во-вторых, что она должна быть по крайней мере пополнена стерильными нейтрино, по всей видимости, необходимыми для придания масс активным нейтрино. Это, конечно, стимулирует поиск стерильных нейтрино. Кроме того, в осцилляционных экспериментах измеряются разности квадратов масс активных нейтрино, но не сами массы. Поэтому труднейшая задача, как «взвесить» нейтрино, является наиболее интригующей для многих экспериментаторов. Положительный результат будет не только заслуживать Нобелевской премии, но и, конечно, повлияет на многие направления, в том числе на бурно развивающуюся космологию. В настоящее время масса нейтрино еще не измерена. До 2019 года лучшее ограничение на массу нейтрино, продержавшееся около 15 лет, было получено нашими учеными на уже упоминавшейся установке «Троицк-ню-масс». В 2019 году этот рекорд был побит в эксперименте КАТРИН (Карлсруэ, Германия). Эта установка, по сути, представляет собой увеличенную в несколько раз копию установки «Троицк-ню-масс», и, конечно, наши сотрудники принимали и принимают активнейшее участие как в создании установки, так и в проведении эксперимента.

Еще одно «нейтринное направление», в котором мы являемся лидерами,— это исследование нейтрино астрофизического происхождения и тесно связанное с ним изучение космических лучей. Эти исследования ведутся у нас на установках БНО и в совместном российско-итальянском эксперименте LVD (Gran Sasso, Italy). Наши ученые принимают активнейшее участие в работе таких международных коллабораций, как Teleskop Array (США), TAIGA (РФ), LHAASSO (Китай) и многих других. Особо хотелось бы отметить проект Baikal-GVD. Эта установка — нейтринный телескоп на Байкале объемом около 1 куб. км — создается в основном усилиями сотрудников ИЯИ и ОИЯИ (Объединенный институт ядерных исследований в Дубне). Она позволит регистрировать астрофизические нейтрино и, что наиболее важно, направление их прихода с рекордной точностью (в 3–4 раза лучше, чем IceCube), с энергиями более 100 ТэВ. Совместно с установкой IceCube, расположенной в Антарктиде, Baikal-GVD позволит находить источники таких нейтрино практически на всей небесной сфере, что означает, что человечество полностью вошло в эру нейтринной астрономии, позволяющей исследовать физические процессы, происходящие в глубоком космосе.

Наконец, хотел бы отметить, что ученые нашего Института активно участвуют во многих международных нейтринных проектах, таких как Juno, Gerda, NOvA, T2K и многих других. В 2020 году в Японии началось создание международного (17 стран) проекта «Гипер-Камиоканде». Этот проект будет определять развитие физики элементарных частиц, физики нейтрино на многие годы вперед. Нашу страну в проекте представляют в первую очередь ученые ИЯИ РАН. Я уверен, что наши финансирующие органы хорошо понимают важность этого события как для позиционирования России на международной арене, так и для создания и трансфера новых технологий и найдут возможность финансовой поддержки российского участия в проекте.

Теперь что касается наработки редких изотопов. Да, действительно, в нашем Институте разработаны и разрабатываются уникальные технологии получения редких изотопов, таких как актиний-225, стронций-82 и многих других. Эти изотопы широко используются в медицине. Но важно то, что эти изотопы нарабатываются на уникальном Сильноточном ускорителе протонов с комплексом нейтронных источников, созданном в ИЯИ РАН и расположенном в Троицке. Эта машина является единственным в России ускорителем данного класса и самым крупным линейным ускорителем протонов в Евроазиатском регионе. На основе сильноточных линейных ускорителей такого класса в США работают Лос-Аламосский центр нейтронных исследований (LANSCE) и самый мощный в настоящее время источник нейтронов (ORNL SNS). В Европе (Швеция) только сейчас строится подобный комплекс ESS. Эти ускорители предназначены не только и не столько для наработки изотопов, но и для проведения широкого спектра фундаментальных и прикладных исследований в области физики элементарных частиц, физики атомного ядра, нейтронной физики, физики конденсированного состояния и твердого тела. Стоит отметить, что около 70% времени работы ускоритель в Лос-Аламосе, который уже трижды был модернизирован, тратит на военные исследования (риторический вопрос: «Что они там изучают?»). На нашем ускорителе также интенсивно ведутся как фундаментальные, так и прикладные исследования. При относительно недорогой модернизации мы бы смогли существенно расширить их спектр. Но узкокорпоративные интересы и межведомственные барьеры зачастую затрудняют развитие этого направления в России.

О теоретиках. Они у нас действительно очень сильные, их работы известны во всем мире и хорошо цитируются. Но занимаются они не только физикой за пределами СМ, но и исследованиями по физике элементарных частиц в рамках СМ, космологии, гравитации, физике космических лучей и нейтрино, физике атомного ядра, развивают пертурбативные методы квантовой теории поля, необходимые в том числе при анализе высокоточных экспериментов. Пожалуй, единственное, чем напрямую не занимаются наши теоретики, так это теорией струн.

Еще одно направление, в котором наш институт занимает лидирующие позиции,— это физика элементарных частиц, в том числе решение загадки темной материи. Эти исследования ведутся как у нас в институте — БНО и Троицк, так и в рамках работы многих международных коллабораций. Достаточно сказать, что наши ученые активно работают в трех из четырех крупнейших экспериментах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе: CMS, ALICE, LHCb. Они являются соавторами открытия бозона Хиггса и пентокварка. Отмечу еще один эксперимент в ЦЕРНе — NA64. Этот эксперимент направлен на поиск экзотических частиц темной материи, в частности «темного фотона». Лучшие ограничения на эту частицу в определенной области параметров поставлены именно в этом эксперименте. Но важно то, что этот эксперимент был предложен сотрудниками нашего института и ИФВЭ (Протвино). Более того, спокменом (по сути, руководителем) эксперимента стал российский ученый — сотрудник ИЯИ Сергей Гниненко.

Можно было бы еще много рассказать о наших достижениях и в области ядерной физики, и в области ускорительной физики, в которой нашими разработками пользуются во всем мире, но, к сожалению, формат интервью не позволяет сделать этого.

— Каков статус вопроса о СР-неинвариантном смешивании нейтрино? Может ли это СР-несохранение помочь в решении загадки бариогенезиса во Вселенной?

— В настоящее время два крупных международных эксперимента NOvA (США) и T2K (Япония), в которых участвует и наш институт, ведут поиск CP-нарушения — нарушения симметрии нашего мира по отношению к замене частиц на античастицы (C-симметрия) и отражения в зеркале (P-симметрия) — в нейтринном секторе. Результаты поисков в обоих экспериментах указывают, что, во-первых, это нарушение существует, и, во-вторых, оно близко к максимальному. Однако статистическая значимость этих результатов еще мала, чтобы они стали открытием. Поэтому оба эксперимента, во-первых, планируют в ближайшее время продолжать набор статистики, а во-вторых, насколько мне известно, сделать совместный анализ данных, что не столь безобидно.

Отвечая на второй вопрос, сначала поясню, в чем, собственно, загадка. Проблема заключается в том, что во Вселенной, без сомнения, есть вещество: барионы — это кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, и лептоны — электроны. Из этого вещества состоим и мы с вами. Но во Вселенной определенно нет в заметных количествах антивещества. Кроме того, если бы оно было, то оно аннигилировало бы с наблюдаемым веществом, превращаясь в частицы света — фотоны,— а это было бы заметно. Более того, по современным представлениям, так и происходило в ранней горячей Вселенной, но (приблизительно) на миллиард частиц антивещества приходился миллиард плюс одна частица вещества. Ровно эти лишние частицы и выжили после аннигиляции, составив все видимое вещество во Вселенной, а результат аннигиляции — фотоны — мы наблюдаем сейчас в виде реликтового микроволнового излучения. Поэтому возникает вопрос: «Откуда взялись эти лишние частицы?» Если не пытаться отвечать на него в духе: «так было, потому что так было», что сродни признанию акта Творения, то требуется найти физический механизм, объясняющий эту загадку. В 1967 году Андрей Сахаров сформулировал три условия, при выполнении которых могла бы возникнуть такая асимметрия между веществом и антивеществом, которую также называют барионной. Все три условия в той или иной степени выполняются в СМ и в космологии, но одно из них, а именно необходимость CP-нарушения, хотя и удовлетворяется в кварковом секторе СМ, но приводит к слишком малой величине барионной асимметрии.

Была и остается надежда, что эту загадку удастся решить за счет нарушения CP-симметрии в лептонном секторе, то есть за счет смешивания нейтрино, а затем «переработать» ее в кварковый сектор (механизм для такой «переработки» имеется в СМ). Однако проблема состоит в том, что величина преобладания материи над антиматерией зависит не только от параметра CP-нарушения, измеряемого в упомянутых экспериментах, но и пропорциональна массам нейтрино. Если это массы активных нейтрино, о которых и идет речь, то их значения слишком малы по сравнению с теми энергиями, которые были характерны для ранней Вселенной на момент образования барионной асимметрии, и ими можно пренебречь. Другими словами, CP-нарушение в секторе активных нейтрино, хотя и максимальное, не может объяснить загадку бариогенезиса из-за малости масс нейтрино. Но остаются стерильные нейтрино. Их массы могут быть достаточно велики для объяснения загадки. Но никто не знает, нарушается ли CP-симметрия в их секторе, а если нарушается, то насколько. Существуют модели, в которых CP-нарушение в секторе стерильных нейтрино связано с CP-нарушением в секторе активных нейтрино. Но без серьезной теоретической аргументации, без серьезной экспериментальной поддержки эти модели остаются лишь моделями.

— Каков статус вопроса о стерильных нейтрино?

— Поиском стерильных нейтрино занимаются многие лаборатории по всему миру, об исследованиях в этом направлении в нашем институте я уже говорил. Эта задача очень трудна. Представьте, что через нас с вами каждую секунду пролетает около квадриллиона активных, то есть могущих взаимодействовать с веществом, составляющим нас, нейтрино от Солнца и мы их не замечаем. Что уж говорить о стерильных нейтрино, которые непосредственно не взаимодействуют с веществом? Поэтому результатом поиска стерильных нейтрино обычно являются ограничения на допустимую область параметров. Но иногда появляются сообщения и об обнаружении эффекта, которые требуют дальнейшей независимой проверки. Таким образом, поиск идет, и я уверен, что рано или поздно стерильное нейтрино будет обнаружено.

— Баксанская лаборатория продолжает ли удерживать лидирующие в мире позиции?

— О БНО я уже говорил в контексте исследований по физике нейтрино. Здесь добавлю, что БНО — это не только крупнейшая подземная лаборатория, но и комплекс наземных установок. В подземной низкофоновой лаборатории можно проводить (и мы проводим) широкий спектр исследований и получаем очень важные результаты по физике нейтрино, по поиску темной материи, у нас даже силами ученых из МГУ установлена гравитационная антенна. Среди наземных установок хотел бы упомянуть вводящуюся в строй установку КОВЕР-3, позволяющую проводить исследования по гамма-астрономии с рекордной чувствительностью в неизведанной до сих пор области энергии в районе 1015 эВ.

— Есть ли идеи новых крупных проектов, аналогичных Баксану и Байкалу?

— В Институте разработана программа проекта установки класса мегасайнс «Большой баксанский нейтринный телескоп». Это установка многоцелевая. Она предназначена для решения задач нейтринной астрофизики, геофизики, а также прикладных задач, таких как мониторинг ядерных реакторов. Обсуждается возможность жидкоаргонового детектора нового поколения для поиска частиц темной материи, исследования нейтрино и уточнения модели Солнца методами нейтринной астрофизики. Также мы активно продвигаем идею глубокой модернизации Сильноточного ускорителя протонов в Троицке.

— В связи с ковидом общественность хорошо воспринимает высокотехнологичные медицинские инструменты и методы. Люди в России живут все дольше, их нужно лечить, особенно в зрелом возрасте. Какими медицинскими возможностями располагает ИЯИ РАН? В каких проектах в области здравоохранения принимает теоретическое и физическое участие? Что из медико-биологического направления рассматривается на уровне предпроектов, которые могут быть реализованы к 2025 году? К 2030 году?

— Возможности ИЯИ РАН в области медицины в основном связаны с нашим ускорителем протонов. Определяющими являются два направления работ для медицины: лучевая терапия и производство медицинских изотопов. По первому из этих направлений сейчас ведутся исследования по новой актуальной технологии, так называемой флеш-терапии: это облучение с высокой мощностью дозы, позволяющее меньше повреждать нормальные ткани. Тут уникальные параметры нашего ускорителя (его высокая интенсивность) находят прямое применение. По второму направлению были разработаны и активно применялись технологии производства очень востребованных диагностических и терапевтических изотопов, о которых я уже упоминал. Здесь также используется высокая интенсивность пучков протонов. Планы на пять—десять лет предполагают создание крупного центра ядерной медицины и лучевой терапии с установкой нового специализированного ускорителя протонов на базе имеющейся инфраструктуры и компетенций наших специалистов.

К сожалению, в недавно принятую федеральную программу синхротронно-нейтронных исследований не вошли работы по развитию самого мощного в России линейного ускорителя протонов и импульсного источника нейтронов ИЯИ РАН в Троицке. Также в нее не включены проводимые на ускорителе разработки в области технологии производства изотопов для диагностики и терапии сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, и работы по протонной терапии онкологических заболеваний.

— В физических кругах Москвы вас воспринимают так: разносторонний, верный академику Валерию Рубакову. Вы согласны с этим?

— Что касается первой характеристики — вероятно, да. В любом случае считаю, что лишних знаний не бывает, даже если они умножают скорбь. По-моему, по своей природе хороший ученый должен быть разносторонним, и это отличает его от высококлассного специалиста. Что касается второй характеристики — людям, как обычно, конечно, виднее. Не люблю пафосных фраз, но следующие предложения не являются для меня пустым звуком. В моем понятийном аппарате нет словосочетания «быть верным кому-либо». Исключение составляет словосочетание «быть верным любимому человеку». Зато есть словосочетание «быть верным чему-либо»: «верным делу» (в моем случае — науке), «верным Родине», в конце концов «верным слову (клятве, присяге)». Думаю, что люди, действительно хорошо знающие меня, подтвердят это. Я знаю академика Рубакова уже 30 лет (не секрет, что я являюсь одним из его учеников), и, на мой взгляд, Валерий Анатольевич не нуждается ни в моей верности, ни в верности кого-либо другого. Как мне кажется, его понятийный аппарат очень близок к моему, а именно это сближает и объединяет людей, делая их единомышленниками, гораздо лучше всякой верности.

— Не страшно ли идти на руководящую должность в столь сложный для ИЯИ период?

— Да, наверное, страшно. В первую очередь это страх не оправдать оказанного мне коллективом доверия. «Сложный период», по-моему, продолжается в течение всей моей научной деятельности. По крайней мере я не припомню «простых» периодов. И этот период сложен не только и не столько для ИЯИ, но и для всей фундаментальной российской науки в целом. Это и проблема молодых кадров, и практически полное отсутствие кадров среднего возраста, и проблема стремительного устаревания оборудования и инфраструктуры, и проблема высокой бюрократизации управления наукой, возникающей вследствие острого дефицита ресурсов. Для ИЯИ в последнее время появилась еще одна проблема, вероятно, характерная для крупных экспериментальных институтов,— это огромный дисбаланс между зарплатами научных сотрудников и другими категориями работников, в первую очередь инженерно-технических. А ведь именно благодаря ИТР работают уникальные установки, на которых наши ученые получают результаты мирового уровня. Вадим Алексеевич Кузьмин — ученый с большой буквы и очень неординарный человек — часто говорил (в контексте обсуждения научных задач) нам, молодым сотрудникам, аспирантам, студентам: «Сложное — твое!». Мне кажется, эта фраза полностью определяет всю мою жизнь, и я ничего не могу с этим поделать.

Интервью взял Владимир Тесленко, кандидат химических наук