ПОЛИТ.РУ: Космические нейтрино лучше всего искать на Байкале

Более 15 лет Россия почти не вкладывает средства в собственные эксперименты в области физики элементарных частиц. Однако для того, чтобы оставаться сильным игроком на поле международных проектов, необходимо строить и «домашние» установки, которые бы приносили более быстрые, наглядные и интересные результаты, и в то же время позволили бы расти и развиваться молодым российским ученым у себя на родине. Размышлениями о том, что можно было бы сделать российским физикам в современных условиях, как воздать по заслугам ученым за старые эксперименты и затеять новые, о поисках нейтрино «Передовая наука» попросила поделиться главного научного сотрудника Института ядерных исследований, академика Валерия Анатольевича Рубакова. Беседовала Ольга Орлова.

Вы один из самых молодых академиков РАН. Учитывается ли возраст ученого при выборе в Академию?

Вообще отбора в члены Академии по возрастному признаку нет. Но все понимают, что есть много достойных людей старшего возраста, которые внесли существенный вклад в свою область. Они как бы стоят в условной очереди. По крайней мере, в моей области я знаю много людей, которые получили сильные результаты и вполне заслуживают звания академиков. Ближайший пример - руководитель галлиево-германиевого эксперимента по изучению солнечных нейтрино в Баксанской обсерватории Владимир Николаевич Гаврин.

В чем суть эксперимента на Баксане?

Это вообще увлекательная история. Там идут измерения потока солнечных нейтрино. Подземные эксперименты по солнечным нейтрино нацелены на поиск нейтрино низких энергий, появляющихся в результате термоядерных реакций. Такие реакции как раз и происходят в центре Солнца. Причем есть разные типы этих реакций, и соответственно из Солнца вылетают нейтрино разных энергий. И уловить эти нейтрино — безумно трудная задача. Так вот первый эксперимент на эту тему начался в середине 60-х годов в США, его руководителем был Рэй Дэвис, получивший потом за него Нобелевскую премию. Он измерял нейтрино сравнительно высоких энергий и обнаружил недостаток по сравнению с теоретическими моделями. Потом был эксперимент Камиоканде в Японии, который подтвердил, что недостаток нейтрино высоких энергий действительно имеется. Тогда стали думать, что солнечная модель не очень точная – слишком сильна зависимость от температуры у реакций с образованием высокоэнергичных нейтрино. Однако основная термоядерная реакция, которая обеспечивает всю энергию Солнца – это реакция протон-протонного слияния, и она дает «мягкие» нейтрино, то есть нейтрино низких энергий. Чтобы померить потоки мягких нейтрино, нашим ученым Вадимом Кузьминым еще до всех экспериментов был придуман способ использовать галлий как мишень: солнечное нейтрино попадает в галлий, превращает его в радиоактивный германий, потом германий извлекается химическим путем и считается сколько его образовалось. Таким образом и можно измерить поток нейтрино. Но не надо забывать: речь идет о единичных атомах, и потому - чтобы набрать статистику - надо работать многие годы. Это очень долгий эксперимент. Тем не менее, два галлиевых эксперимента на Баксане и в Италии сказали, что низкоэнергетических нейтрино очень мало (а мы ведь точно знали, сколько их должно быть), и тогда выяснилось, что с нейтрино происходят превращения.

Как же это выяснилось?

Дело в том, что все эти эксперименты чувствительны к нейтрино одного типа – только электронному нейтрино. А всего существует три типа нейтрино – электронное, мюонное и тау. В Солнце образуются только электронные нейтрино, но по дороге от Солнца к нам они превращаются в мюонные и тау. Поэтому-то все четыре эксперимента, о которых мы говорили, и показывали недостаток электронных нейтрино. История на этом не закончилась: были поставлены новые эксперименты в Японии и Канаде, и они подтвердили, что есть превращения электронных нейтрино в нейтрино других типов. В этом году канадские и японские ученые получили престижную премию за вклад в обнаружение этого эффекта. Канадский эксперимент, который был чувствителен к остальным типам нейтрино, зарегистрировал мюонные и тау нейтрино, хотя теоретически им неоткуда было взяться на Солнце. И окончательно предположение о том, что нейтрино превращаются из одного типа в другой, подтвердили в Японии в эксперименте с нейтрино от наземных ядерных реакторов. Владимир Гаврин в свою очередь за галлиево-германиевый эксперимент на Баксане тоже получил Государственную премию. Но он до сих пор не академик. Хотя в Америке за подобный результат его бы точно выдвинули на Нобелевскую премию. И это не единичный пример.

Почему вообще нашим физикам так "неохотно" дают Нобелевскую премию?

Я лично мало знаком с работой Нобелевского комитета по физике и не знаю, как точно функционирует система присуждения Нобелевских премий, но со стороны кажется, что все очень политизировано. Потому что в профессиональном отношении есть крайне спорные решения. Насколько мне известно, для того, чтобы получить Нобелевскую премию, нужно мощное лобби, и люди, которые претендуют на эту премию, должны предпринимать специальные усилия для ее получения.

А разве это не похоже на ситуацию с выборами в нашу Академию наук?

Отчасти. Поддержка во время выборов обязательно нужна. И естественно, что учитель будет продвигать своего ученика. Он знает о его заслугах, о его успехах больше, чем про других, и он это делает совершенно искренне… А каких- то единых критериев здесь быть не может. Академики — это штучный товар. Думаю, в других академия все тоже очень субъективно. Во Франции около 70 академиков. Неужели во Франции по всем наукам так мало достойных людей? Или вы думаете, их абсолютно справедливо выбирают? У вас есть набор более или менее равных людей, а дальше включаются субъективные факторы, в том числе и отношения между людьми.

У вас много учеников. Вы по каким критериям их продвигаете?

Талант и работоспособность. Как физики-теоретики, они все со своими особенностями, но эти два качества должны быть обязательно. Ну и порядочность для меня, конечно, важна, хотя в этом смысле на учеников мне, слава Богу, везло.

В советское время путь ученого быть абсолютно предсказуем — и в карьерном и в материальном плане. Сейчас ученого, как волка, ноги кормят. Необходимо уметь себя грамотно «продать», презентовать свои достижения, написать заявки на гранты, найти «горячую» тему. Как в связи с этим изменились современные студенты?

С одной стороны, сильно уменьшилось число студентов, которые интересуются наукой как таковой. И они стали явно более прагматичными. С другой стороны, и те, кто хочет быть ученым, уже ведут себя не так, как молодые ученые в мои времена. Они стали заметно инфантильнее. Я не помню, чтобы ребят, которые хотели остаться в науке, надо было подталкивать, проверять, заставлять решать задачи?! Мы на 4-м курсе были уже самостоятельными исследователями, а сейчас старшекурсники физфака МГУ и Физтеха — еще дети. У нынешних ребят как бы размыта мотивация. Для нас было главное — узнать, как устроен мир, что люди про это знают и что ты сам можешь для этого сделать. А что для них главное, уже не очень понятно… Хотя, может быть, про следующее поколение всегда что-то подобное говорят…

У вас какая интуиция — математическая или физическая?

Физическая. Для меня математика — только аппарат. И поэтому я чувствую разницу, когда говорю с людьми с математической интуицией. Они по-другому мыслят — структурами, объектами, математическими конструкциями. А физик мыслит представлениями о том, как природа того или иного явления могла бы быть устроена.

Для математиков очень важным критерием в доказательстве является красота. Что такое красота для физика?

Когда физик начинает придумывать теорию, то эстетическая красота его замысла подсказывает, насколько адекватна теория. У физиков тоже есть своя эстетика. Физик смотрит на уравнение и видит красиво оно или нет, а математику само уравнение не столь важно. Красота в понимании физика зависит от того, как устроена конкретная структура теории или модели, которую он придумал, компактная ли она, много ли требуется предположений закладывать. То есть в физике представление о красоте более конкретно и ощутимо.

Вы учились в знаменитой московской 57-ой школе, затем закончили физический факультет МГУ. Кто были ваши учителя? И нужно ли что-то менять в способе взращивания ученых в России?

Да, у меня были прекрасные учителя. Если бы книга рекордов Гиннеса задалась вопросом, кто из школьных учителей физики выпустил наибольшее количество ученых, то думаю, наш Владимир Владимирович Бронфман побил бы все рекорды. Очень часто можно встретить его учеников, реально работающих в науке. И на меня он очень сильно повлиял, хотя первую контрольную по физике я написал на тройку. В университете моими руководителями были такие замечательные ученые, как Николай Красников и Альберт Тахвелидзе. И если говорить о системе подготовке научных кадров в целом, я не думаю что можно придумать что-то радикально положительное. Радикально отрицательного — сколько угодно.

Уже стало принятым утешаться тем, что современная наука стала международной, миграция ученых — нормальное явление, и потому проблему утечки мозгов решать не нужно.

Эта проблема не зависит от подготовки кадров, она зависит от того, может ли найти себе ученый достойное место в России. Да, в 18-19 веках ученые были одиночками, в советские времена действовал железный занавес, а теперь ученые стали более подвижными. Зачастую один человек работает с несколькими соавторами из разных стран мира. Однако этот процесс можно считать нормальным, если движение осуществляется в обе стороны, а если миграция только в одном географическом направлении, то чем тут утешаться?

В Англии, где зарплаты ниже, чем в Америке, знаменитому ученому могут дать звание лорда, чтобы удержать его на родине. А мы можем придумать какие-то способы вернуть ученых?

Во-первых, это не быстрый путь, а дыра в научных кадрах уже сейчас зияет. А во вторых — для этого нужно создать условия, сравнимые с теми, к которым эти люди привыкли. А это трудно… Есть единичные примеры. Например, сейчас к нам возвращается Игорь Ткачев, который долгое время работал в ЦЕРНе (Швейцария) на очень хорошей позиции. Есть и другие люди, которые предпочли бы перебраться сюда, но для этого нужна внятная политика. Поманить можно только возможностью иметь достойное житье, а для этого нужны достойные зарплаты. Но может быть проще удерживать научную молодежь. Очень много ребят, которые не хотят уезжать, но вынуждены это делать. В нашей области, если есть толковый парень или девушка, мы всегда что-то придумаем, ставку выбьем и возьмем к себе. У нас задача обратная — найти таких талантливых ребят, которые бы согласились работать за эту зарплату. Но куда брать-то? На пять-шесть тысяч?

С 1987 по 1994 год вы были заместителем директором Института. Как строился диалог с профильным министерством?

В те годы я довольно много взаимодействовал с административными и властными структурами. Но, надо заметить, что в конце 1980-х еще было понимание важности научных продвижений и необходимости государственных затрат на них. В начале 90-х уже люди в министерстве понимали, но разводили руками. Сейчас понимания ценности научной деятельности в Минобрнауке вообще не наблюдается. Такое ощущение, что люди не на своих местах.

А в советское время разве все были на своих местах?

Было внутреннее уважение к научной деятельности. В 1987 году было очень мощное постановление по физике высоких энергий. Мы успели благодаря этому ввести в действие галииевый телескоп.

Какие сегодня существуют негосударственные способы поддержки физических исследований?

Есть помощь со стороны меценатов. Вот фонд Дмитрия Зимина «Династия» оказывает серьезную помощь. «Фонд содействия отечественной науке» тоже выделяет средства. Так же действуют грантовые программы, в основном — российские. Тот же РФФИ выделяет деньги, но очень небольшие. Международные программы в нашей области почти все закрываются.

Как вы в связи с этим смотрите на будущее российской науки?

Вы знаете, я все равно оптимист. Процесс медленно, но идет. Сейчас мы в гораздо лучшем состоянии, чем прежде. Вот у нас в отделе теоретической физики есть люди, которым по 35 лет, а они не уезжают. Такого десять лет назад не было. Как только человек доживал до возраста семьянина, он тут же уезжал. Поэтому, скажем, сорокалетних у нас уже нет. А сейчас появилась надежда. Знаете анекдот: человек, у которого кончились деньги, вино и сигареты, решил повеситься, накинул петлю, а веревка оборвалась. Он упал и увидел, что под кроватью остался недокуренный «бычок». Он затянулся, выпустил дым в потолок и подумал: «А жизнь-то налаживается». Так и нам петлю с шеи можно временно снять…

Тогда расскажите, пожалуйста, где еще идут эксперименты в вашей области?

Последние лет пятнадцать серьезных затрат, помимо Баксанского эксперимента, на научные программы в области нейтринной астрофизики не было. На Байкале, правда, тоже проводят эксперименты по поиску космических нейтрино, но лет через пять там установка уже не будет конкурентоспособной. Американцы проводят свой эксперимент подо льдом на Южном полюсе, где установка очень большая и где вероятны интересные результаты.

Почему американцы выбрали Южный полюс?

Как мы знаем, нейтрино — это такая частица, для которой мы все дырявые. Она проникает сквозь Землю, но все-таки изредка взаимодействует с обычным веществом, рождая заряженную частицу – мюон, а та в свою очередь рождает «черенковское излучение», которое и фиксируют наши фотоумножители. Так мы и пытаемся поймать космическую частицу нейтрино. Однако на нашу планету падает множество других излучений, они дают большой фон… Поэтому надо все делать глубоко под землей или под водой, чтобы добиться максимальной чистоты эксперимента. В океане, например, трудно работать — сильное течение. Американцы хотели поставить на глубине вблизи Гавайских островов тросы с фотоумножителями, но они несколько раз утопили оборудование и тогда решили попробовать закрепить фотоумножители во льду, где меньше проблем. А на Байкале стоячая чистая вода, поэтому со льда все оборудование хорошо устанавливается.

Что хотят найти наши на Байкале и американцы на Южном полюсе?

Помимо солнечных нейтрино, о которых мы говорили, бывают нейтрино и другого происхождения. К примеру, есть нейтрино тривиального происхождения. Вот у вас есть космические лучи – протоны, которые к нам прилетают из космоса. Они стукаются об атмосферу и в конечном итоге образуют нейтрино. Это так называемые атмосферные нейтрино, но они не очень интересны. Такие нейтрино зарегистрировали и наши ученые на Байкале, и американцы на Южном полюсе. Но, интересно обнаружить такие нейтрино, которые к нам уже «целыми» прилетели из космоса, т.е. собственно космического происхождения.

Но ведь астрофизические объекты, которые могут породить нейтрино, находятся очень далеко?

Да, поэтому-то и долетает очень маленький поток космических нейтрино, и для того, чтобы их зарегистрировать, нужен масштаб объема порядка кубического километра. А существующие установки раз в тридать, наверное, меньше, поэтому все понимали, что действующими установками обнаружить такие нейтрино невозможно. На самом деле даже ограничения на потоки нейтрино уже сам по себе интересны.

Откуда берутся эти ограничения?

Их получили из данных последних экспериментов, в том числе и на Байкале. Известно, что есть частицы высоких энергий – протоны и ядра, известны их потоки, известно сколько их приходит к нам и с какими энергиями. Понятно, что где-то существуют ускорители этих частиц – дальше, в зависимости от условий ускорения – должны прилетать и нейтрино высоких энергий. И были теоретические модели генерации космических лучей высоких энергий, которые предсказывали большие потоки нейтрино. Но теперь подобного рода «экстремистские» модели, где говорилось о больших потоках нейтрино, закрыты теми ограничениями, которые и получены в результате экспериментов на Байкале и Южном полюсе. Стало понятно, что какие-то механизмы не работают. И это тоже результат.

Но все-таки реально зарегистрировать такие космические нейтрино в объеме кубического километра?

Да, на Байкале это как раз это можно сделать за небольшие деньги. Порядка 30-40 миллионов долларов. Вот пример, где можно за относительно небольшие деньги получить прекрасный результат.

Результат, подтверждающий уже существующую теорию. А как вы относитесь к новым теориям? Суперсимметрия, например?

Суперсимметрия – это одна из красивейших теорий, на которую многие физики возлагают надежды. Слишком многое в ней указывает на то, что она может оказаться верной. Пока, конечно, и в ней достаточно противоречий.

Есть ли связь между теорией суперсимметрии и идеей многомерного пространства?

Связь опосредованная. Думается, что правильная теория, описывающая физические явления на сверхмалых расстояниях - это теория струн. Дело в том, что среди известных теорий только теория струн умеет описывать квантовые гравитационные явления. Все остальные теории на это не способны. Однако сама теория струн, во-первых, обладает суперсимметрией, а во-вторых, непротиворечиво формулируется в десятимерном или одиннадцатимерном пространстве. Похоже, что это правильное число измерений. Поэтому многомерные теории привлекли интерес исследователей. Люди пытаются понять, куда делись остальные измерения.

Есть попытки математически описать эти измерения, а как же это делать физикам?

Это еще не известно. Может быть эти лишние измерения компактны, свернуты в трубочку, а мы живем на таком цилиндре. Но кружочки этих цилиндров такие маленькие, что мы с нашими приборами не можем их отличить от точки. И для этого как раз нужны большие энергии. Один из вариантов, что нам просто не хватает энергий в ускорителях, чтобы эти маленькие измерения разрешить.

Очень много надежд возлагается на Большой адронный коллайдер, но с ним же связаны и апокалиптические прогнозы…

И тоже понятно почему. В каком-то смысле, в истории физики наступил переломный момент: открыли почти все, что ожидали. Например, не знали, что шестой кварк такой тяжелый, но знали, что он есть. Нашли, измерили, поняли его свойства и т.д. Остался только не обнаруженный бозон Хиггса, но скорее всего и его на Большом адроном коллайдере найдут.

И что будет дальше?

Вот именно. Если дело ограничится только бозоном Хиггса, и ничем больше, то физикам будет очень трудно убедить общество и правительства своих стран построить что-то новое и продолжать эксперименты. В такой ситуации вполне вероятно услышать в ответ: «Есть у вас частица, которая укладывается в ваши теоретические схемы – и хватит с вас, ребята.» Когда нет нового круга явлений, то трудно будет найти весомые аргументы чтобы строить за счет государства более мощные ускорители и продвигаться дальше по энергии.

Насколько справедливо утверждение, что теперь главные результаты в микрофизике мы получаем из космоса?

Не совсем. Далеко не все, что нас интересует, можно изучить космологически. Это отдельные результаты, но, безусловно, интересные. Например, темная материя – это космологический факт, очень существенный для физики частиц.

Есть ли у нас возможность объяснять устройство Вселенной, не вводя этих новых понятий?

Нет. Без темной энергии и без темной материи картину Вселенной не объяснить. Имеются наблюдаемые факты, которые подтверждают, что темная материя есть. По поводу темной энергии еще можно как-то предполагать, что она может быть просто другой гравитацией на больших расстояниях…. Но и это предположение пока не очень подтверждается.

Как узнать, из чего состоит темная материя?

Темная материя – это частицы, которые не испускают свет, они слабо взаимодействуют с обычным веществом. Они, например, не умеют образовывать твердые тела, потому что слишком слабо взаимодействуют. Мы пока не знаем, что это за частицы и какая у них масса, как они устроены… Сейчас идут прямые поиски. У нас этим занимаются на Баксане, но уровень чувствительности экспериментов и у нас и во всем мире пока недостаточный. Если эти частицы темной материи не очень тяжелые, можно их будет обнаружить на Большом адроном коллайдере. Предсказать, когда будет получен положительный результат, не берусь.Но рано или поздно эти частицы, конечно, зарегистрируют и будут понятны их свойства. Я надеюсь, что доживу до этого. Есть, впрочем, попытки обойтись без темной материи и объяснить наблюдения с помощью изменения закона всемирного тяготения. Но это как раз тот случай, когда понятие теоретической красоты противоречит этому подходу. Слишком неуклюжие эти попытки. Поэтому маловероятно, что на этом пути что-то получится.

Можно ли экспериментально изучать темную энергию?

Пока нет. Похоже, что ни на каком существующем ускорителе темная энергия проявляться не должна, и поэтому единственный путь понять что это такое – астрономические наблюдения. Если мы в деталях будем понимать, как Вселенная расширялась за последние 10 миллиардов лет, мы сможем понять и про темную энергию больше, чем сейчас про нее знаем. И вот тут есть попытки расширить общую теорию относительности, чтобы она изменилась на космологических расстояниях. Но тоже пока не получается: имеющиеся примеры теорий страдают отсутствием самосогласованности, то есть в них существуют серьезные внутренние трудности. Некоторое время назад был на эту тему всплеск активности теоретиков, я и сам этим занимался, писал статьи, убил на это несколько лет и …. уперся в тупик. (Кстати, это к вопросу о цитируемости). Но, с другой стороны, нужно было время потратить на то, чтобы понять, что это направление тупиковое - это ведь тоже результат. Верно?

См. также: