Академик Виктор Матвеев объясняет, как поймать нейтрино и что такое темный фотон

В конце прошлого года исполнилось 65 лет Объединенному институту ядерных исследований в Дубне — и 80 лет его научному руководителю, академику Виктору Матвееву. В интервью «Ъ-Науке» он рассказывает, почему раз и навсегда полюбил Дубну, как поймать нейтрино и что такое темный фотон.

— Виктор Анатольевич, как начинался ваш путь в науке?

— Я родился в городе Тайга в Сибири, но родители мои — кораблестроители из Владивостока. Именно там я провел свое детство, я приморский житель душой. Начинал учиться в Дальневосточном университете на физико-математическом факультете. Когда я был на первом курсе, к нам приехал с визитом новый ректор Ленинградского университета, знаменитый математик Александр Дмитриевич Александров. Он взял с собой множество профессоров, которые читали нам лекции. Я с товарищем бегал на них, слушал их с упоением. Родилось ощущение: вот где настоящая наука, вот где надо учиться — в Ленинграде!

Мы написали письмо ректору, и нас согласились принять без потери года на кафедру теоретической физики, где ведущим ученым был академик Владимир Фок. Это была большая честь и счастливая возможность.

Мы приехали в Ленинград и продолжили учебу там. Надо сказать, я часто ставил перед собой сложные задачи и стремился их решить. Например, как-то я услышал от товарища, что можно сдать экзамен самому Ландау — так называемый минимум Ландау. Я загорелся и стал выяснять, как это сделать.

Оказалось, что Лев Давыдович в тот момент лежал в госпитале. Когда я пришел в Физико-технический институт и попросил принять у меня этот минимум, мне пошли навстречу его ученики и ближайшие коллеги. Это было серьезнейшее испытание.

— А что туда входило?

— Первый экзамен был пробным испытанием — насколько вы математически грамотны, насколько способны математически мыслить. После этого начались экзамены по конкретным разделам учебника Ландау—Лифшица. Скажем, классическая механика, все ее фундаментальные законы, квантовая механика, электродинамика, квантовая теория поля, гидродинамика…

Это было в том числе своего рода артистическое испытание, взятое ими от Ландау. Я помню, как на Лесной улице в Ленинграде зашел в приемную Физико-технического института, набрал номер руководителя отдела теоретической физики Ильи Шмушкевича, сказал, что прибыл на экзамен. Он говорит: «Хорошо! Посмотрите в окно. Видите там скамейку под яблоней? Выходите и ждите нас там». Я выхожу и вижу: есть две яблони и две скамейки!

«Я влюбился в Дубну на всю жизнь»

— Это была первая задача?

— Видимо, да. Я стал думать: какую же скамейку Илья Максимович видел из своего окна? Пришел, сел на ту скамейку, жду. Никого нет.

Вдруг вижу: дверь открывается, выходит Шмушкевич, что-то экспансивно говоря, а за ним идут коллеги. И идут они совсем в другую сторону! Я просто примерз к своей скамейке! Значит, ошибся!

А они подошли к другой скамейке, остановились, посмотрели — нету, повернулись и пошли обратно. Вдруг посмотрели в мою сторону и пошли ко мне с недовольным, как мне показалось, видом.

Я попытался вскочить, чтобы поздороваться, а они мне с ходу: «Формула дипольного излучения?!» Я автоматически выпалил эту формулу, после чего они подобрели и говорят: «Хорошо. Пересядем на ту скамейку». Экзамен был очень непростой, но я его сдал.

— Но в Физтех вы не пошли, а отправились в Дубну?

— После окончания университета я получил возможность работать в ОИЯИ, потому что директор института Николай Боголюбов, выдающийся ученый, договорился с Фоком о том, чтобы тот согласился послать в Дубну для знакомства группу ленинградских студентов-теоретиков. Я попал в эту группу.

Приехав в Дубну, я сразу в нее влюбился на всю жизнь. Здесь атмосфера удивительная! Отцы-основатели института были выдающимися учеными и в то же время открытыми для общения. Николай Боголюбов разговаривал с молодыми людьми так, как будто никакого барьера нет. Он задавал вопросы, иногда сам на них отвечал. Был очень эмоционален. Все это завораживало. Хотелось работать здесь и только здесь.

— Какая тематика вас тогда привлекала?

— В то время я интересовался совершенно новой гипотезой — что есть кварки, про которые многие ученые говорили, что это «как бы частица», а на самом деле — математический объект. Николай Николаевич Боголюбов, к которому меня привели для знакомства, сказал: «Кварки — это настоящие элементарные частицы, и мы должны найти пути к тому, чтобы это доказать».

— А почему он был так уверен, что они реально существуют?

— Наверное, он интересовался развитием самой идеи фундаментальных симметрий, которые лежат в основе структуры частиц. Идея кварков показала, что это наиболее красивая, экономная и в то же время логичная схема, которая объясняет некоторые фундаментальные свойства наблюдаемых протона и нейтрона. Надо было только найти разрешение некоторых абсолютно непонятных загадок.

Скажем, мы знаем, что фермионы — а это электроны и протоны-нейтроны — подчиняются принципу Паули. Нельзя в одном и том же состоянии иметь два одинаковых фермиона. А здесь почему-то было все наоборот. Как это понимать? Боголюбов хотел, чтобы мы в этом деле поучаствовали, нашли наиболее фундаментальное квантовое число, которое позволяет объяснить все эти парадоксы, но дает для кварков совершенно новое свойство.

Я был по-настоящему счастливым человеком: будучи сам увлечен идеей кварков, я еще и встретил гениального человека, который готов был мной руководить. Первая научная работа, которая демонстрировала, что введение нового квантового числа разрешает проблему кварков, у меня была вместе с Боголюбовым и еще несколькими выдающимися физиками. Это было начало новой теории — квантовой хромодинамики. Со 2 февраля 1965 года я уже был стажером-исследователем Лаборатории теоретической физики в Дубне. В 1967-м защитил кандидатскую, причем писал ее по ночам — другого свободного времени не было. Потом докторскую… Мне был тогда 31 год.

«Люди, которых глубоко уважаешь, говорят: "Виктор, надо!"»

— Велась ли тогда совместная с другими странами научная работа?

— У Дубны, несмотря на сложную политическую ситуацию в мире, были очень хорошие контакты с коллегами из США. Тогда в Америке, в штате Иллинойс, недалеко от Чикаго построили самый мощный ускоритель в мире. И дубненцы были приглашены для первых экспериментальных работ, потому что Дубна обладала возможностями, новыми экспериментальными методиками, каких нигде больше не было. Дубненцы стали сердцем этого экспериментального объединения.

Николай Боголюбов решил послать меня туда как теоретика. Но чтобы это стало возможным, передо мной была поставлена задача осуществить руководство этой группой физиков из институтов СССР и, в частности, из Дубны. Судьба подарила мне полтора года очень интересной работы. Тогда происходило бурное развитие физики высоких энергий, появлялись новые научные направления в квантовой теории поля. Но я рвался домой, в Дубну.

— Однако в Дубне вы не задержались. Почему?

— В последние годы в Дубне и в мире был получен большой опыт, и было предложено дальнейшее развитие фундаментальных исследований по физике, которое требовало создания новых установок, новых комплексов, которые уже нельзя было создавать в Дубне.

Было ясно: надо создавать новый институт. Такой институт был создан по инициативе Академии наук СССР, когда президентом академии был Мстислав Келдыш. Частично его создание инициировал ФИАН, частично — Дубна, поэтому даже название он получил похожее — Институт ядерных исследований. Это было такое время, когда люди, которых вы глубоко уважаете, говорят тебе: «Виктор, надо!» Отказываться нельзя.

— Партия сказала «надо»?

— Мне очень не хотелось уезжать. Здесь были коллеги, друзья. Жена приросла к Дубне — она сама отсюда, у нас здесь родились два сына.

Я помню, директором Лаборатории теоретической физики в ОИЯИ в то время стал первый директор ОИЯИ, выдающийся ученый Дмитрий Иванович Блохинцев. Он пригласил меня в кабинет, стал расспрашивать, не жалко ли уезжать. Я говорю, что, честно говоря, переживаю. До сих пор помню, как он задумчиво подошел к большому окну, долго смотрел, как идут сотрудники на обед, потом вдруг резко поворачивается ко мне и говорит: «А вы скажите, что жена не хочет!» Я говорю: «Дмитрий Иванович, все что угодно, но этого я сказать не могу».

С большим опасением перешел. Решением президиума АН СССР был переведен из ОИЯИ на работу в ИЯИ в должности заместителя директора по научной работе. Среди людей, которые меня к этому призывали, кроме моего непосредственного руководителя и первого директора ИЯИ Альберта Тавхелидзе был Моисей Марков, академик-секретарь Отделения ядерной физики АН СССР, который в то время продвигал идею создания нового уникального научного направления — экспериментальных исследований по нейтринной астрофизике. Надо было создавать установки в глубине горы, подо льдом озера… Целое направление, которое получило название ДЮМАНД (DUMAND — Deep Underwater Muon And Neutrino Detector project). Это было интересно! Меня это чрезвычайно увлекало, тем более появилась возможность создать новую теоретическую группу, из Московского университета взять молодых людей. Я сам читал лекции в МГУ на кафедре, носящей имя Николая Боголюбова.

И все же я переживал. Помню, просыпаюсь утром в общежитии, за окном серо, погода пасмурная, и я в полусне с ужасом думаю: «Что же я наделал? Что сотворил со своей жизнью?»

«Идею можно подарить, лишь бы ее развивали!»

— В ИЯИ вы задержались на много лет, проделали огромное количество работы, были директором. Под вашим руководством, в частности, были созданы Байкальская и Баксанская нейтринные обсерватории…

— Самое главное — люди, с которыми мне пришлось работать. Уникальные, удивительные люди! Академики Зацепин, Чудаков, Марков, Лобашев — эти имена были известны во всем мире.

— То есть вы не были разочарованы?

— Разочаровываться было некогда.

— ИЯИ находится не только в Москве, но и в Троицке. Какое впечатление он произвел?

— Он был тогда немного провинциальным городом. Но там было много филиалов институтов Академии наук, где трудились очень интересные люди. Я стал первым избранным председателем Троицкого научного центра, который мы создали и ввели в структуру Академии наук. Сейчас это Новая Москва, скоро туда проведут метро. Там мои коллеги, которых я по-прежнему люблю. Сейчас, оглядываясь назад, я могу сказать, что все это — и Дубна, и Троицк — было и остается огромным счастьем.

— А жена смирилась?

— Конечно. Жалеть нам не о чем.

— Виктор Анатольевич, все-таки Дубна уникальна. В советские годы мы с отцом сюда приезжали, и меня поражало, что по улицам ходят иностранцы, звучит английский, французский, итальянский… Даже в советские годы, когда был железный занавес, город оставался открытым для международных связей. Насколько это важно для науки, для ее развития?

— Это очень важно было тогда и еще более важно становится сейчас. В первые десятилетия Дубны это сформировало город. Носители разных культур, менталитета рвались к мирной науке. Им было важно работать вместе, и это очень сильно помогало.

Я помню, когда только начал работать в США, понял, что такое разный менталитет. Вы можете вечером вместе пить пиво, водку, говорить обо всем на свете, и русский человек думает, что вы уже друзья.

А утром вы приходите — и вы не друзья, это было вчера. В России дружба начинается раньше, чем вы начнете работать. Это потом вам помогает. А там, пока не поработаешь, не посмотришь, кто чего стоит, вы не подружитесь. Когда вы занимаетесь молодым человеком, если он способный, вы в него влюбляетесь как в своего ребенка. А в Америке молодой человек — как вложение капитала. Инвестиция. Если он работает хорошо, виден результат — отлично, но все, что он сделает, это мое.

— Капиталисты!

— Взять того же Николая Боголюбова — он настолько был щедрым в научном и человеческом плане! Он готов был подарить вам идею, только чтобы вы ее развивали. Ему интересно было это увидеть. Сам Николай Николаевич исключительно высоко ценил людей «с Божиим даром». Я очень рад, что был воспитан в таком окружении. Сейчас, когда я смотрю на свою жизнь, понимаю, что часто инстинктивно думал: «А что бы сделал Николай Николаевич?» Всегда было сознание того, что такой человек на меня влиял и я уже не могу сделать того, за что потом будет стыдно.

— Давайте поговорим о сегодняшнем дне ОИЯИ. Тот же Байкальский нейтринный телескоп, который вы развивали, работая в Институте ядерных исследований, продолжает развиваться, и сейчас уже в содружестве между этими двумя институтами. Грандиозный проект, о котором только ленивый, наверное, не писал…Сложно было его осуществить?

— Идея, которую высказал академик Марков: можно и нужно стремиться к тому, чтобы создать условия для наблюдения нейтрино, пришедших из далекого космоса. Если бы мы были способны его детектировать, то узнали бы очень много о Вселенной. Это нельзя сравнить с тем, что получается оптическими и радиотелескопами, это сведения о гораздо более ранних моментах возникновения Вселенной.

Но как создать такие детекторы, если нейтрино отдельно может пройти сотни тысяч земных шаров и не застрять ни в одном? Нужно было высказать идею о создании класса экспериментальных установок таких масштабов, которые могут использовать океан, земной шар, лед как части этой установки. Тогда, может быть, вы получите то, что мы сейчас хотим называть «нейтринной астрономией».

Это была сумасшедшая идея, но он в нее верил и приложил усилия, чтобы заинтересовать ею других. И это направление начало развиваться! Здесь очень важную роль сыграла изобретательность российских ученых. Они придумали, что можно вести наблюдения со льда озера Байкал и не нужны корабли, которые создают волнение. Это было соединение многих остроумных догадок и предложений, воплощенное в жизнь на самом современном научном уровне. Именно поэтому сюда так тянется молодежь. Космос, дальние объекты — и в то же время эта гигантская установка, которая дает информацию путем анализа очень сложных процессов, протекающих при взаимодействии нейтрино с водой озера.

«Где-то протекают экстремальные космические процессы!»

— Удалось ли получить какие-то прорывные результаты в последнее время?

— В конце прошлого года были зафиксированы два события, о которых было объявлено в системе информирования всех крупных наблюдателей в мире. Произошла вспышка блейзера. Это тип космических объектов, при которых выделяются такие энергии, какие Солнце может выделить только за миллиард лет. Возможно, это слияние двух нейтронных звезд. Физики назвали такое экстремальное событие блейзером.

Нами и международной установкой Ice Cub в Антарктиде одновременно были зафиксированы два нейтрино, пришедшие из одного и того же места во Вселенной. Возможно, впервые мы получили данные о наблюдении локального источника нейтрино сверхвысоких энергий.

— Правильно ли я понимаю, что это не солнечные, а более дальние нейтрино, что фиксировать и дифференцировать очень сложно?

— Да, все верно. Они идут от такого процесса экстремального выделения энергии, который до сих пор малоизвестен. По-видимому, это говорит о том, что где-то протекают экстремальные космические процессы. Это естественный космический ускоритель, дающий потоки частиц крайне высоких энергий. Мы приблизились к тому, что сейчас начинаем изучать уникальное явление, которое позволит раскрыть совершенно новую астрофизику.

— С большим интересом весь мир следит за строительством в Дубне нового ускорительного комплекса NICA. На какой сейчас стадии находится строительство?

— Фактически мы должны в следующем году завершить и ввести в действие этот уникальный научный комплекс. Каждую неделю мы все это обсуждаем, анализируем конкретное состояние дел. Как раз сейчас впервые прошло захолаживание систем, которые находятся на всем кольце коллайдера, доведение этого оборудования до гелиевых сверхнизких температур. Это один из шагов к запуску.

Хотя условия работы в коронавирусное время вносят свои коррективы, работы идут. Очень хочется получить данные, которые свидетельствуют о том, что мы можем изучать физические свойства сверхплотной ядерной материи.

— Речь идет о получении кварк-глюонной плазмы — а это те самые кварки, которыми вы начинали заниматься, будучи совсем молодым человеком.

— Именно так. Для этого нужно понимание, что у кварков есть новое квантовое число — то, с чего я начинал. Это потрясающе интересно!

— Мне кажется, что это и сейчас у вас вызывает такой же восторг, как и тогда.

— Абсолютно!

Физический оксюморон

— Виктор Анатольевич, знаю, вы были разработчиком аксионной теории, которая может пролить свет на такую загадочную субстанцию, как темная материя. Как вы сейчас считаете, что может составить темную материю с большей вероятностью — аксионы, стерильные нейтрино или что-то еще?

— Идея аксионов очень заманчива. Она еще является открытой, и коридор возможных свойств темной материи сужается. Мы пока не знаем, есть ли там элементы аксионного типа или легких компонентов нейтринного излучения, что также возможно. Сейчас я со своими коллегами вовлечен в реальные экспериментальные исследования так называемого темного фотона.

— Это же какой-то оксюморон: как фотон может быть темным?

— Все сейчас оперируют такими понятиями, как обычная барионная материя, темная материя и темная энергия. Наша барионная материя, которую мы наблюдаем, все звезды, сделанные из барионов, космические лучи, мы с вами — это всего лишь 5% наполнения Вселенной. А все остальное — это темная материя и темная энергия. Что это такое, мы не знаем. Тем не менее та энергия, которая за ней кроется, колоссальна.

То, что темная материя существует, видно по гравитационным явлениям, по законам эволюции Вселенной и звездных тел. Можно себе представить, что это материя, состоящая из объектов наподобие тех элементарных частиц, которые мы изучаем. Может быть, в ней есть какие-то другие компоненты, о которых мы пока не догадываемся. Но между нашей материей и той не может не быть никакой связи.

— Почему?

— Мы верим, что она должна быть. Но слабая, которую мы сейчас пока не видим. Нам надо найти способы эту связь обнаружить. И одна из теорий говорит о том, что могут быть определенные связующие элементы. Давайте себе представим, что есть какая-то материя, состоящая, возможно, из слоев фундаментальных частиц, и могут быть поля, которые смогли объяснить наличие связей между темной и обычной материей в рамках принципа квантовой теории поля.

Среди них может быть векторный бозон, назовем его «темный фотон», и обычный фотон, и между ними может быть малое перемешивание, как происходит с нейтрино. Мы ведь знаем, что они могут быть разных типов и эти типы способны превращаться друг в друга — осциллировать. Почему бы такому явлению не происходить на границе нашей и темной материи? Нам нужно попытаться сформулировать, что надо искать в эксперименте, чтобы обнаружить момент, когда наш фотон может при определенных условиях смешиваться с фотоном темной материи. Тогда вы обнаружите исчезновение чего-то из обычного мира.

— У нас дома довольно часто исчезают и нигде не находятся вещи. Может, они попадают в темную материю?

— Шутки шутками, но такие эксперименты сейчас идут в ЦЕРНе. Они предложены группой российских физиков, в том числе из Дубны. Я являюсь одним из научных руководителей этого проекта. Поиск такого проявления темной материи в виде наличия темного фотона необычайно интересен и перспективен. Есть реликтовый фон обычных фотонов, возможно, существует и реликтовый фон темных фотонов. Это новое направление сейчас развивается во всем мире, в США создаются крупные установки для поиска возможности «смешивания» обычного фотона с темным.

Самое удивительное — человеку дано изучать то, что, казалось бы, ему не подвластно. Все же способности человека генетически чем-то обусловлены. Почему, скажем, человек с определенным образованием может представить себе четырехмерный или пятимерный мир, которого никогда не видел? Зачем генетика дала ему такие возможности? Это удивительный вопрос.

— Как вы себе представляете мир темной материи?

— Я часто об этом думаю. Понимаете, квантовые законы совсем не подобны классическим, но мы, физики, имея опыт работы по объяснению природы квантовых явлений, уже представляем себе квантовый мир. Так и здесь, по-видимому. Когда вы долго ломаете голову над проблемой, нейроны мозга так выстраиваются, что позволяют создать мыслимую модель темного мира, как они создали в мозгу виртуальную модель квантового мира.

Сама природа сознания — это большая загадка. Сознание — это способность человеческого мозга построить определенную модель окружающего мира. Так мы приобретаем необходимый опыт. А как вам смоделировать устройство Вселенной, тем более ее зарождения, когда было что-то, чего не было никогда? Если Вселенная родилась в какой-то момент, то что было до того, когда ничего не было? И вообще, где она родилась, если того, что было до нее, не было?

— То есть человек все время старается приблизиться к уровню Творца?

— Именно так. Получается, что мы его не подменяем, но хотим проникнуть в его замысел. Это необычайно увлекательная задача. Возможно, в этом и есть наше предназначение.

Беседу вела Наталия Лескова