Как живут и работают на байкальском льду ученые-физики, как они ловят частицы нейтрино в байкальский подводный телескоп и смотрят на Вселенную через кристаллы льда — рассказываем вместе с исследовательской артелью «Поле»
Мы все состоим из пустоты
От Листвянки до 106-го километра Кругобайкальской железной дороги по льду на машине ехать часа полтора. Посередине пути у Толстого мыса уазик-«буханка» останавливается, пассажиры выходят на лед. Водитель открывает багажник, достает бутылку водки, разливает по рюмкам, режет хлеб и вяленое мясо. Выпили. Оставшиеся капли безымянным пальцем разбрызгиваются по сторонам света. Здесь обязательно нужно бурханить — высказать уважение духам этого ледяного края.
«Через каждый квадратный сантиметр нашего тела каждую секунду проходит миллион нейтрино, но они проходят через нас как через пустое место. Нам кажется, что мы твердые, а на самом деле мы все равно состоим из пустоты», — говорит пассажирам декан физического факультета Иркутского государственного университета Николай Михайлович Буднев, когда они возвращаются в машину.
Как мы представляем себе телескоп? Это такие трубки разного размера с линзами и зеркалами, в них в ночном небе можно разглядеть кратеры на Луне и даже увидеть планеты Солнечной системы. Есть еще радиотелескопы — огромные антенны, которые принимают из космоса излучение, исходящее от звезд и других объектов. С помощью радиотелескопов можно, например, открывать и описывать экзопланеты — похожие на Землю планеты в других звездных системах.
И трубки, и антенны направлены вверх — в небо.
Но на Байкале есть необычный телескоп. Во-первых, он смотрит не вверх, а вниз — на дно озера. Во-вторых, он не похож на трубку или антенну. Это километровая система гирлянд — тросов, на которых расположены круглые прозрачные и герметичные сферы размером чуть больше баскетбольного мяча. Внутри этих сфер находится прибор — фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — очень чувствительный фотоэлемент. Он реагирует на квант света.
ФЭУ ловят в байкальской воде нейтрино — мельчайшие частицы, которые летят через Вселенную и пролетают сквозь нашу планету. Всего под байкальской водой 88 тросов, на которых размещается почти 10 тысяч приборов.
В среде, как известно, свет распространяется медленнее, чем в вакууме. Но есть частицы, которые движутся в воде со скоростью, близкой к скорости света, при этом выделяется энергия и происходит свечение среды.
Дело в том, что на дне Байкала нет никаких источников света. Вообще. И если там регистрируют энергию, значит частица пролетела через всю планету.
Если быть более точным, то регистрируют не сам нейтрино, а мюон — частицу, которая появляется из-за взаимодействия нейтрино с прозрачной средой. Буднев — самый главный в иркутской части экспедиции — говорит, что, изучая нейтрино, можно будет узнать о том, что происходит внутри Солнца и внутри Земли, через которую проходят частицы. Можно будет больше узнать о зарождении и эволюции Вселенной. Изучение нейтрино может привести к новым открытиям.
«Известно, что к нам из космоса приходят частицы, энергия которых в тысячу миллиардов раз больше, чем энергия нейтрино, которые приходят от Солнца, — говорит Буднев. — И энергия этих частиц в миллионы раз больше, чем энергия частиц, которые разгоняются в адронном коллайдере. Значит, в природе существуют механизмы генерации таких энергий, которые в миллионы, в миллиарды раз больше, чем в нашем Солнце. Есть процессы, есть объекты такие во Вселенной, которые генерируют совершенно невообразимое количество энергии. Миллиарды солнц. Какие-то процессы примерно известны. Скажем, процессы взрыва звезд. Процессы, связанные с черными дырами. Есть у человека такое глупое стремление — узнать, как это происходит».
Пластиковые фужеры
История байкальского проекта началась в семидесятых. Ученые из разных стран мира, в том числе Советского Союза, решили создать установку для регистрации частиц на глубине 5 километров в Тихом океане у Гавайских островов. Появился проект DUMAND (Deep Underwater Muon And Neutrino Detector Project). В 1979 году в Листвянке прошло международное совещание астрофизиков и физиков частиц. Советский академик Александр Евгеньевич Чудаков предложил на Байкале поэкспериментировать с отладкой методики регистрации частиц в воде со льда.
В декабре 1979 года советские войска вошли в Афганистан, и все совместные проекты свернули. В итоге на Тихом океане ничего не получилось из-за ветра и волн. В 2000-х годах американцы стали строить установку IceCube в Антарктиде во льду. Впоследствии байкальский проект вместе с антарктическим и еще две обсерватории составили Глобальную нейтринную сеть (GNN).
В Советском Союзе после политических и природных неурядиц решили развивать свой проект. Первая экспедиция из четырех специалистов отправилась на лед Байкала в 1981 году. Тогда удалось провести первый эксперимент: на глубину 100 метров поместили три прибора.
«Все было маленькое и слабенькое, — говорит Буднев, — но мы впервые в естественных условиях в байкальской воде зарегистрировали сигналы от этих мюонов».
В девяностых годах началось строительство байкальского нейтринного телескопа. На дно озера помещается груз массой примерно 700 килограммов, к нему крепится трос и глубоко-глубоко на нем — приборы. Сверху гирлянда заканчивается поплавком, который притоплен на глубину 25 метров. Если бы поплавок был на поверхности воды, то гирлянду бы все время трепало из-за волн или подвижности льда.
Данные от приборов по кабелям передаются в береговой центр и отправляются для обработки в Дубну — там находится Объединенный институт ядерных исследований. Эти сигналы нужно не только распознать, но и очистить от всяких фоновых вспышек. Например, прибор может среагировать на косяк рыб.
Место, которое выбрали для строительства телескопа, доступно для транспорта — это 106-й километр Кругобайкальской железной дороги, оборудование сюда доставляют железнодорожными контейнерами. Несколько раз в неделю ходит поезд «Мотаня» по маршруту Байкальск — Слюдянка. Зимой до телескопа можно добраться на машине по льду от Листвянки или от Байкальска.
В береговом центре круглый год находятся два дежурных — оператор и электрик, они следят за работой установки, а со второй половины февраля по начало апреля экспедиция отправляется на лед Байкала, чтобы смонтировать новые гирлянды и отремонтировать старые.
Лагерь на берегу делится рекой Ивановкой на две части: «Иркутский бережок» и «Московская полянка». В первой расположились физики-электронщики из Иркутского университета, во второй — физики из Дубны. «Иркутский бережок» — несколько домиков–балков и кунгов (кузов универсальный нормального габарита), в которых живут и работают электронщики.
Но это не те физики, которые в белых халатах тихонько сидят в лабораториях. «Физика — наука физическая, — говорит Андрей Танаев, директор НИИ прикладной физики Иркутского государственного университета (ИГУ). — Приходится много работать руками, таскать тяжести на морозе и холодном ветру».
Научный сотрудник Александр Гафаров занимается гидроизоляцией приборов и разъемов. Он показывает подарок из Иркутска: кто-то из товарищей передал набор пластиковых фужеров из обычного магазина. На пакете с фужерами шуточная надпись «Гафарову — опохмелиться!». Из фужера не пьют — его приспособили для изоляции разъемов. Специальные импортные разъемы за 100 евро через некоторое время работы все же начинают пропускать воду. Приходится придумывать дополнительную изоляцию. Ножка у фужера отрезается, в верхнюю часть конуса заводят разъем, а из основания выводят несколько проводов.
«То, что вроде делаешь большую важную научную работу, поначалу держалось в голове, — говорит Александр, — а потом вылилось в рутинную работу. Уже об этих нейтрино практически не думаешь. Лишь бы установка работала. И все».
Дыхание нерп
Прежде чем открывать тайны Вселенной и искать энергии миллиардов солнц, специалистам из Иркутска и Дубны нужно было научиться жить и работать на льду. Буднев говорит: «Тогда, в 1981 году, никто не представлял не только что такое пешня (инструмент для колки льда, похожий на копье) и как делать майну (прорубь) во льду, но и как ездить по льду надо. Не было абсолютно никакого представления, что такое работа со льда на Байкале. А лед — это не твердая платформа. Это вещь такая все-таки очень специфическая».
Лед, с одной стороны, помогает, с другой стороны, несет опасность. Работать на открытой воде невероятно сложно, а с февраля по апрель озеро становится относительно твердой поверхностью, где можно разместить оборудование.
Лед — это дорога, которую используют для доставки людей и грузов. Огромная масса байкальской воды замерзает достаточно поздно, по льду постоянно идут трещины, и появляются торосы.
«Когда по льду едешь, обычно вот смотришь чуть подальше, вперед метров на пятьдесят и наблюдаешь горизонты. Если трещина откуда-то идет, она обязательно себя как-то проявит, — рассказывает водитель экспедиции Валерий Гаврилович, — или же полоска темная выйдет, или же вот этот бурхун, который друг на друга надавливается…»
Бурхунами здесь называют торосы — места, где столкнулись льдины и образовали своего рода горы. А трещины иногда приходится преодолевать с разбега, разогнав машину по предварительно накатанной дорожке.
А еще опасность представляют продухи — отверстия для дыхания, которые делают байкальские нерпы. «У них же от места до места этих продухов сколько воздуха хватает — минут на пятнадцать-двадцать, — поясняет водитель. — Вот они там пузырь [воздуха] пустят под лед, потом в другом месте пустят пузырь под лед… Пузырь просто не дает образоваться толстому льду. Они же постоянно идут, они — фух — туда воздух пустили. И потом вот этот продух они все время поддерживают. А им надо-то че — носом ткнули, дырку сделали, вздохнули и дальше пошли».
Попадешь колесом в трещину или продух — придется доставать машину. И это еще если она не уйдет под лед — тут хоть бы выпрыгнуть успеть.
Память льда
Для того чтобы достать телескоп на лед, во льду выпиливают майны большими пилами — такими, что приходится помещать их на платформу-сани. После пропилки льда кубики откусывают и вытаскивают щипцами, какие используются для переноски шпал на железной дороге.
Вообще, лед воспринимается байкальскими физиками как живой и сложный организм. Профессор Буднев говорит, что у льда есть что-то похожее на память. Кубики вытаскивают из майны и обычно складывают рядом с ней. Они являются индикатором состояния льда. «К концу марта такой кубик буквально за несколько часов весь превращается в иголки. Причем лед помнит, как он рос: если ты кубик положил на бок, иголки будут горизонтальными. Если поставил вертикально, иголки будут вертикальными. У него кристаллическая структура, и он разрушается в соответствии с тем, как он рос. Утром его вытащил, вечером подошел, ногой пнул его — он рассыпается на эти иголки. Такие спицы — диаметр меньше сантиметра. И то же происходит со всей толщей льда. Лед не тает на Байкале как таковой, он разрушается, меняется его структура. При этом резко падает его несущая способность именно вот для проезда».
Снег весной тает на солнце, и на льду образуется слой воды. Если вода ушла, значит лед начал разрушаться, нужно немедленно сворачивать лагерь и перемещаться на берег.
Лед отступит — ученые уедут принимать экзамены и заниматься другими научными проектами. Но место не опустеет. Здесь останутся дежурные, нейтрино и байкальские духи. Физики весь год будут вспоминать лед. До следующей экспедиции.
Еще больше важных новостей и хороших текстов от нас и наших коллег — в телеграм-канале «Таких дел». Подписывайтесь!
Каждый день мы пишем о самых важных проблемах в нашей стране и предлагаем способы их решения. За девять лет мы собрали 300 миллионов рублей в пользу проверенных благотворительных организаций.
«Такие дела» существуют благодаря пожертвованиям: с их помощью мы оплачиваем работу авторов, фотографов и редакторов, ездим в командировки и проводим исследования. Мы просим вас оформить пожертвование в поддержку проекта. Любая помощь, особенно если она регулярная, помогает нам работать.
Оформив регулярное пожертвование на сумму от 500 рублей, вы сможете присоединиться к «Таким друзьям» — сообществу близких по духу людей. Здесь вас ждут мастер-классы и воркшопы, общение с редакцией, обсуждение текстов и встречи с их героями.
Станьте частью перемен — оформите ежемесячное пожертвование. Спасибо, что вы с нами!
Помочь нам
