15 апреля отметил свое 85-летие выдающийся ученый-экспериментатор в области физики нейтрино, создатель Галлий-германиевого нейтринного телескопа Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН, академик Владимир Николаевич Гаврин. Днем позже в московском подразделении института состоялся семинар, посвященный этому юбилею. Вел его замдиректора по науке Григорий Рубцов, а участвовали коллеги и соратники Владимира Гаврина из ИЯИ РАН, ОИЯИ и других учреждений. Помимо слов поздравлений, шла речь и об истории прорывных экспериментов, которыми руководил ученый, и о будущих исследованиях в этой области.
В «марковском призыве»
Владимир Гаврин родился 15 апреля 1941 года в Комсомольске-на-Амуре, отец был инженером-строителем, мать — экономистом. Он поступил в Москву на физический факультет МГУ, по окончании, в 1965-м, был принят стажером-исследователем в лабораторию нейтрино, созданную академиком Моисеем Марковым в ФИАНе при поддержке Георгия Зацепина и Александра Чудакова. Всё это ключевые личности в истории будущего ИЯИ РАН.
Академик Марков тогда возглавлял в Академии отделение ядерной физики, он понимал важность исследований нейтрино, и по его инициативе президент АН СССР Мстислав Келдыш в 1963 году написал письмо в Политбюро ЦК КПСС о том, что необходимо создание подземной нейтринной лаборатории. И за полгода было принято решение: строить!
Для исследований нужно было отгородиться от природного радиационного фона под толщей земли или воды; на Западе выбор пал на отработанные шахты и тоннели, в СССР — на вершину Андырчи на Кавказе, в Приэльбрусье, близ города Тырныауза. В конце 1960-х началось строительство, сравнимое по сложности с проводкой линий метро. Нейтрино — не единственная научная «нагрузка» объекта, но главная. Нужно было подтвердить и объяснить парадокс солнечных нейтрино: доля частиц, регистрируемых детекторами, стабильно меньше той, что предсказывала для термоядерных реакций теория — Стандартная солнечная модель. Итальяно-советский физик Бруно Понтекорво первым предложил свой ответ на загадку, что стал сейчас общепринятым: всему виной нейтринные осцилляции, или, говоря обычным языком, переход из одного типа нейтрино в другой. Всего эти частицы бывают трех типов (или «ароматов»): электронные, мюонные и тау-нейтрино. Солнце порождает электронные, и именно их ловили детекторы, но по дороге к Земле они успевали сменить свой «аромат».
В 1971 году лаборатория нейтрино вместе со строящейся Баксанской нейтринной обсерваторией перешла в состав только что созданного Института ядерных исследований. Здесь Владимир Гаврин защитил кандидатскую и докторскую, прошел путь от руководителя группы до завлабораторией Галлий-германиевого нейтринного телескопа, которой он руководит с 1986 года.
Куда исчезают нейтрино?
Идея галлий-германиевого детектора — в превращении атома галлия в следующий по порядку в периодической таблице германий в случае, когда с ядром атома взаимодействует нейтрино. Это случается крайне редко, но всё же случается. Остается вопрос, как эти атомы из многотонного объема детектора извлечь и посчитать. Это еще один научно-инженерный подвиг, для описания которого потребовался бы отдельный текст.1
Галлий-германиевый нейтринный телескоп стал основой для международной коллаборации SAGE (Soviet-American Gallium Experiment), собравшей лучшие мировые кадры. И возглавил ее Владимир Гаврин. Эксперимент стал стопроцентно успешным — дефицит солнечных нейтрино был точно измерен, детектор расширялся, измеренные параметры уточнялись и хорошо соответствовали результатам других экспериментов — Homestake (хлор-аргон, США, первый, заметивший аномалию), GALLEX (галлий-германий, Италия), Камиоканде/Супер-Камиоканде (водный черенковский детектор, Япония), SNO (детектор с тяжелой водой, Канада). В 2015 году за это открытие была дана Нобелевская премия по физике. Ее получили двое — Такааки Кадзита (Супер-Камиоканде) и Артур Макдональд (SNO). В докладах не раз отмечалось, что и результат Владимира Гаврина и SAGE — нобелевского уровня, что он проложил дорогу остальным, но… Тут можно лишь гадать, дело в политике или, как когда-то выразился физик-теоретик из ИЯИ РАН Вадим Кузьмин (кстати, автор идеи использовать галлий для детектора), «главное — не сделать открытие, главное — сделать его последним». Потому что Нобелевский комитет дает премию за финальную точку.
А для Владимира Гаврина это была не точка, а запятая. В процессе исследования солнечной аномалии обнаружилась еще одна — галлиевая. «Серьезная заноза в теле мировой науки», как назвал ее один из докладчиков. Для калибровки нейтринного детектора используются искусственные источники нейтрино, в данном случае — на изотопах хром-51 и аргон-37. При подсчете потока нейтрино оказалось, что он на ~20% ниже расчетного. Куда «исчезают» нейтрино? Чтобы изучить этот вопрос, начали новый эксперимент, BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions). Стерильные нейтрино2 — это гипотетический четвертый тип нейтрино, который не подвержен, как первые три, слабому взаимодействию, т. е. его нельзя засечь детекторами. Но в него могут переходить (осциллировать) другие нейтрино. И стерильные нейтрино, в свою очередь, могут превращаться в первые три типа, а значит, это может быть замечено. Эксперимент стартовал в 2019 году, результаты набраны и опубликованы в 2021-м. Если коротко: факт «пропажи» нейтрино подтвердился, установить существование стерильных нейтрино пока не удалось. Но, кажется, исторический экскурс несколько затянулся, пора вернуться к торжественной части.
«Коротенько, минут на сорок…»
Первым поздравил юбиляра его многолетний соратник и коллега, научный руководитель ОИЯИ (Дубна), экс-директор ИЯИ РАН академик Виктор Матвеев. Он передал юбиляру поздравления от президента РАН, секции ядерной физики ОФН РАН, от коллег из друзей из ОИЯИ.
«Владимир Николаевич, несомненно, яркий представитель научной школы Моисея Александровича Маркова, Георгия Тимофеевича Зацепина, Александра Евгеньевича Чудакова, — отметил Виктор Анатольевич. — Путь, пройденный Владимиром Николаевичем, — путь большой, и он был связан, конечно, с созданием Баксанской обсерватории, реализацией уникального проекта Галлий-германиевого нейтринного телескопа, созданием международной коллаборации и, конечно, организацией работы советско-американского эксперимента SAGE. Это пример крупнейшего международного сотрудничества между физиками России и Америки. Это войдет в историю науки. И путь, который прошел Владимир Николаевич, — поистине путь героический, это научный и человеческий подвиг, я это знаю, потому что имел счастье быть рядом с Владимиром Николаевичем в те годы, когда эта работа, очень нетривиальная и исключительно важная для науки, развивалась. Много можно вспоминать, хочу сказать, что путь этот продолжается и ведет к каким-то непознанным вершинам. Желаю огромного успеха в этих поисках вместе с нами!»
«Я наблюдал за творчеством Владимира Николаевича еще начиная с аспирантуры, — сказал завотделом экспериментальной физики ИЯИ РАН академик Игорь Ткачёв. — И всегда было такое чувство, что в институте творится что-то великое. Представьте, если бы мы отмечали юбилей Сергея Павловича Королёва… То же самое чувство — чувство гордости и причастности — было и у нас, когда создавался Галлий-германиевый нейтринный телескоп, когда под руководством Владимира Николаевича создавалась технология извлечения единичных атомов из мишени. Это в голове просто не укладывалось! Несколько десятков атомов — из многотонной мишени! Но это факт. Потом стали появляться результаты. Я в это время, в девяностые и нулевые годы, был за границей. И на большом количестве конференций везде и всегда обсуждались результаты, полученные у нас. Так что это не отсебятина, а консолидированное мнение мирового научного сообщества».
А экс-директор ИЯИ РАН, член-корреспондент РАН Леонид Кравчук вспомнил шаги по «продвижению» эксперимента BEST, которым занимался вместе с юбиляром. «Когда мы пытались протолкнуть этот эксперимент и, так сказать, убедить больших чиновников, мы ходили с Владимиром Николаевичем в разные кабинеты. Мы пришли к Михаилу Котюкову, который был министром науки и высшего образования. Он говорит: „Ну, хоть расскажите коротко, что вообще вы собираетесь делать-то?“ И тут Владимир Николаевич начал речь… Когда прошло минут десять, Котюков сказал: „Подождите, остановитесь…“ Позвонил заместителю министра и начальнику финансового департамента и сказал им прийти в кабинет: „Вот, послушайте, чем надо заниматься!“ Они пришли, и Владимир Николаевич еще так коротенько, минут на 40–45, рассказал им, что такое нейтрино и с чем его едят. Такая же история была в Росатоме — люди сидели там с открытым ртом. Видно было, что приобщились они! Тут всё какая-то суета, а Владимир Николаевич их приблизил, так сказать, к тому большому, чем мы с вами занимаемся, к фундаментальной науке».
Эта способность биться за науку, не склоняясь перед чинами, всегда характеризовала юбиляра. Одна из историй, которую вспоминали не раз — попытки продажи галлия в середине 1990-х. Нужно было «заткнуть дыру» в государственном бюджете, а то, что единовременная реализация 60 тонн редкого металла просто обрушит рынок, мало кто понимал. Любое вмешательство в детектор уничтожило бы эксперимент. В 1997 году вместе с зарубежными коллегами Владимир Гаврин инициировал письмо в поддержку SAGE, которое подписали ведущие мировые физики, в том числе двенадцать нобелевских лауреатов. Эксперимент удалось спасти.
«Вы решили проблему… и создали новую!»
Кстати, многие светила науки, коллеги по проекту SAGE и не только, продолжают оставаться в контакте с Гавриным и присутствовали на семинаре в онлайн-формате. Те, кто не смог, присылали поздравления. Среди них Дэвид Синклер, Стивен Эллиот, Джон Уилкерсон. А соратник по SAGE Джефф Нико (J. S. Nico, Национальный институт стандартов и технологий (NIST), США) даже достал припасенную для такого случая бутылочку и продемонстрировал через экран.
«Это большая честь для меня — знать Владимира Гаврина, работать с ним много лет, — рассказал Джефф Нико. — Трудно поверить, что я начал участвовать в SAGE еще в 1991 году! Работать над таким большим экспериментом — исключительно сложно. Есть много причин, по которым эксперимент может потерпеть неудачу или остаться незавершенным. Финансирование отменят, оно окажется недостаточным, приоритеты изменятся, участники коллаборации переключатся на другие проекты, возникнут разногласия, мотивация, высокая поначалу, может упасть к середине пути. И нужен особенный человек, который сможет преодолеть все препятствия, не дать эксперименту „сойти с рельс“. Он должен верить в его значимость и не допускать сомнений в его физических основах. За эти годы я ни разу не видел, чтобы Гаврин опускал руки или сомневался в роли галлия в решении загадки солнечных нейтрино. Думаю, будь на его месте другой человек, не было бы такого успеха. Еще критически важное качество — умение собрать команду. В SAGE нужна была исключительно талантливая и разнообразная команда ученых — физиков, химиков, инженеров, технологов, обслуживающего персонала, чтобы установка работала. А он был способен собирать лучших из лучших на протяжении десятков лет. Многие из этих людей сделали потом важную карьеру в физике и не только, и их успехи — настоящее подтверждение лидерских качеств и научных талантов юбиляра». Джефф Нико показал несколько фотографий времен работы в России. На одной из них изображен Брюс Кливленд (Bruce T. Cleveland), недавно ушедший из жизни. «Он был одним из „тихих сердец“ SAGE и физики нейтрино в целом, — заметил Нико. — Как вы знаете, Брюс начал хлор-аргоновый эксперимент, и если у вас был вопрос о чем бы то ни было, первый, к кому вы обращались, был Брюс, и его ответам всегда доверяли». Позднее о Брюсе Кливленде вспомнил и один из докладчиков — Валерий Горбачёв. «Он всё знал, во всё вникал, обладал потрясающей интуицией, — сказал он. — Все программы отбора событий и анализа данных, которые мы сейчас использовали, написаны им. Мы переняли его тщательность, его методы работы. Владимир Николаевич Гаврин принимал все новшества в процедурах только после одобрения Брюса Кливленда».
Еще один физик, который смог выступить онлайн, — Хэмиш Робертсон (Hamish Robertson, Вашингтонский университет, США). «Мы впервые встретились в 1987 году в Троицке, когда начинался проект SAGE, — вспоминал он. — В Европе тоже шла подготовка к подобному эксперименту. А тут уже была создана необходимая экспериментальная база. Когда мы приехали в Троицк, то были поражены, узнав, что у вас уже есть 30 тонн галлия. Мы сказали: „Чего же мы ждем, надо начинать!“ И вы согласились. Я хорошо помню, как сидел в зале ЦЕРНа, когда вы впервые объявили результаты эксперимента SAGE. Мы думали, что это будет обычный отчет о состоянии дел, как у всех экспериментов в то время. Но когда вы объявили результат, воцарилась ошеломленная тишина. Вы раньше европейского эксперимента (GALLEX) показали дефицит потока солнечных нейтрино! Я не смог присоединиться к SAGE просто потому, что незадолго до этого женился, дома был маленький сын, и я всё еще был занят экспериментом SNO (Sudbury Neutrino Observatory, Канада. — Прим. ред.) и пытался завершить тритиевый эксперимент в Лос-Аламосе. Но я испытывал и огромную гордость за вас, и сожаление, что не участвовал в этом великом достижении. Вы решили проблему солнечных нейтрино, а затем, почувствовав, что проблем, возможно, стало не хватать, создали новую проблему — галлиевую аномалию! Я полагаю, что, как и в случае с проблемой солнечных нейтрино, здесь есть нечто очень важное. Удивительно, что многие экспериментальные результаты, бросающие вызов нашему пониманию какого-либо физического явления, обычно списывают на ошибку эксперимента. Но в вашем случае почти никто так не делает — наше доверие к качеству вашего эксперимента настолько велико, что мы все ищем ответы в чем-то другом. Мы должны найти ответ на галлиевую аномалию».
Теория и практика
После поздравительных речей настал черед чисто научных докладов на тему нынешнего развития нейтринной астрофизики. Три члена-корреспондента РАН и сотрудника ИЯИ РАН — Сергей Троицкий, Дмитрий Горбунов и Юрий Куденко — рассказали о теоретических аспектах галлиевой аномалии, связи изучения нейтрино и эволюции Вселенной, о том, что дает изучение солнечных нейтрино. Дальше эстафету переняли гости — академик Михаил Данилов (ИТЭФ) рассмотрел как теоретические аспекты поисков стерильных нейтрино (в концепции мира на бране они не привязаны к тем 3+1 измерениям, в которых мы живем, а распространяются по другим и для нас — исчезают), так и сугубо практическую задачу — мониторинг состояния ядерного реактора с помощью детектора нейтрино (хорошее совпадение — на уровне 3% — с расчетами на основе сложнейших программ транспорта нейтронов в реакторе). А член-корреспондент РАН Анатолий Серебров посвятил доклад стерильным нейтрино. У автора этих заметок недостаточно мозгов, а у читателя, возможно, усидчивости, чтобы подробно пересказывать каждое из этих весьма сложных и обстоятельных выступлений.
Если очень сжато: во-первых, есть галлиевая аномалия. Физики пытаются «сконструировать» ей объяснение и предложить эксперимент, который это объяснение проверит. В последние пять лет — целый всплеск таких работ. Базовое объяснение: кроме трех типов нейтрино, есть четвертый — стерильное нейтрино. Эксперимент BEST признаков существования стерильных нейтрино не обнаружил (не увидел разницы в количестве нейтрино, зафиксированных в двух мишенях), но аномалию подтвердил. Что не так? Самое простое объяснение — эксперименту просто не хватило чувствительности. Или, возможно, этих типов стерильных нейтрино не один, как в обычной (кто-то произнес — «ванильной») модели, а несколько. Другая версия — неправильно измерили поток нейтрино от источника, параметры реакции галлий-германий, не так посчитали извлеченные атомы, не такая скорость распада германия… Но эти варианты удалось исключить. Наконец, последний и вроде как перспективный вариант — «нейтрино 3+1, но с CPT-нарушением — нейтрино и антинейтрино ведут себя по-разному» (Сергей Троицкий). И поможет найти ответ, по мнению физиков, изучение Солнца, где тоже есть проблема: данные по структуре Солнца, полученные исходя из гелиосейсмических, спектроскопических наблюдений и данные по потоку нейтрино не согласуются. Попарно — да, все три — нет. Есть избыток энергии и несоответствие химического состава («металличности»). Возможно, разгадка в стерильных нейтрино, которые энергию уносят. А заодно объясняют галлиевую аномалию. Нужен новый сложный эксперимент…
Что еще? Как известно, главная «нобелевскость» открытия осцилляций нейтрино не в том, что частицы превращаются друг в друга, а в том, что они могут превращаться только если имеют массу, а по Стандартной модели они ее не имеют. Масса нейтрино — предмет давних поисков. Нижнюю оценку дают параметры этих самых осцилляций. Верхнюю — эксперименты в установке «Троицк ню-масс» академика Лобашёва и в ее развитии — немецкой KATRIN. Измерения уточняются, дополняются, в докладах ученых появляются графики, где разные области по-разному закрашены — вот таким нейтрино быть может, таким — точно нет. Мало того, нужно определить иерархию масс — то есть как соотносятся веса электронного, мюонного и тау-нейтрино. Интуиция подсказывает, что электронное из всех самое легкое, но ничто не противоречит и обратному их порядку. Еще есть так называемые углы смешивания — мера способности одного переходить в другое. Вопрос иерархии масс может разрешить запущенный в конце прошлого года китайский эксперимент JUNO, в котором участвуют российские ученые, и это предмет отдельного рассказа.
Завершили же программу «практики» — ст. науч. сотр. ЛГГНТ ОБНО ИЯИ РАН Валерий Горбачёв, активный участник экспериментов на БНО, вспомнил историю работ с юбиляром. Ст. науч. сотр. лаборатории радиохимических методов детектирования нейтрино (ОЛВЭНА) Юлия Козлова рассказала о галлии — его получении и применении, а особенно — о методах очистки, разрабатываемых в институте. Наконец, вед. науч. сотр. отдела экспериментальной физики института Баярто Лубсандоржиев и его подопечные сообщили о том, чем живет команда Галлий-германиевого нейтринного телескопа сейчас. Разрабатываются прототипы Баксанского большого нейтринного телескопа (ББНТ) — широкомасштабного жидкосцинтилляционного нейтринного телескопа, для которого есть подходящее место в штольне, планировавшейся когда-то под хлор-аргонный детектор. В изначальной задумке масса детектора была 10 килотонн, сейчас создали полутонный прототип, дальше будет 5 тонн, затем 20–30 тонн.
* * *
В завершение — неформальная часть. Тут речь и о научных, и о личных качествах юбиляра. Он заядлый спортсмен, любит бегать, плавать — даже когда в море +14 градусов. «Великий философ Аристотель говорил, что отдельные достижения человека не важны, важна энергия завершенной жизни, — заметил один из коллег. — А у тех, кто работает в науке, важно, чтобы был стержень. Человек, у которого он есть, никого не боится и никому не завидует. У Владимира Николаевича такой стержень есть. Он сам шел в нужном направлении и достиг важного результата. Но при этом он добрый человек, никому подножек не делал…» А другой ученый вспомнил замечательную историю времен своей молодости. «Году в 1985-м на семинаре в перерыве Владимир Николаевич подошел ко мне и говорит: „Не хотите ли вы заняться [нейтринной тематикой]?“ Я ответил, что как-то уже занят. „А чем вы там заняты?“ А мы тогда искали магнитный монополь. Так я ему и сказал. А он ответил: „Вот вы станете старше, будет у вас внук, подойдет к вам и скажет: ‘Деда, а чем ты занимался?’ Что вы ему скажете? Что каждый день искали что-то, чего нет? А Солнце есть всегда, на четыре с половиной миллиарда лет хватит“. Прошло сорок лет, и теперь я говорю: „Спасибо за мудрость вашу!“»
Владимир Миловидов, фото автора
1 См., напр., www.trv-science.ru/2024/07/lovczy-neulovimogo-vozmozhnosti-gallij-germanievogo-nejtrinnogo-teleskopa/
2 www.trv-science.ru/2020/02/v-poiskax-sterilnogo-nejtrino/
Загрузка...