В Новосибирском госуниверситете (НГУ) на мегагрант правительства РФ создается лаборатория для исследования темной материи, темной энергии, антиматерии и подготовки специалистов по астрофизике и космологии. Ее возглавит профессор Университета Феррары (Италия), ведущий научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики Александр Долгов. О проекте рассказывает декан физического факультета НГУ, заведующий лабораторией Института ядерной физики СО РАН им. Г. И. Будкера (ИЯФ), член-корреспондент РАН Александр Бондарь.
Российская газета: Для НГУ это совершенно новое направление?
Александр Бондарь: До этого у нас на факультете не было специализации по астрофизике и космологии, тем не менее, в этом направлении очень активно работали кафедры физики элементарных части, физики плазмы и быстро протекающих процессов. Поэтому работы по гранту можно считать продолжением этих исследований, но уже более сфокусированным на задачах астрофизики и космологи.
РГ: Почему именно Александр Долгов возглавит новую лабораторию?
Бондарь: Александр Дмитриевич - ученик известных российских ученых Льва Борисовича Окуня и Якова Борисовича Зельдовича, лауреат премии Понтекорво за исследование роли нейтрино в космологии и премии Фридмана за применение методов квантовой теории в космологии. Александр Дмитриевич сам позвонил мне и предложил подать заявку на грант. Идея мне очень понравилась, это реальный шанс для того, чтобы создать у нас хорошую лабораторию в бурно развивающейся области науки.
РГ: Как выглядит сегодняшняя картина мироздания?
Бондарь: Сегодня баланс полной энергии во Вселенной выглядит таким образом: обычная (так называемая "барионная материя") - 5 процентов, 25 процентов - темная материя (ТМ), которую мы регистрируем только за счет гравитации. Оставшиеся 70 процентов - это темная энергия, обладающая отрицательной гравитацией и приводящая к ускорению расширения Вселенной.
РГ: На каких экспериментальных данных базируется эта картина мира?
Бондарь: Можно выделить четыре главных блока данных. Во-первых, это очень качественное исследование микроволнового (реликтового) излучения, выполненное с помощью сети космических обсерваторий. Во-вторых, данные по яркости сверхновых типа "Iа", на основании которых удалось установить что Вселенная расширяется с ускорением. Кстати, именно за эту работу в 2011 году Нобелевскую премию по физике получили Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Райсс.
В-третьих, проведен анализ данных по крупномасштабным вариациям плотности наблюдаемого вещества во Вселенной. И, наконец, четвертое - это данные микролинзирования (предсказанного Эйнштейном изменения видимого изображения объекта из-за искривления лучей света, вызванного гравитацией попадающихся на их пути массивных тел - ред.) для оценки крупномасштабных вариаций гравитирующего вещества во Вселенной.
В результате совместных работ теоретиков и экспериментаторов появилась возможность создать согласованную картину мироздания, которая описывает все наблюдаемые сегодня явления. Плюс она базируется на фундаменте физики элементарных частиц.
РГ: Если мы не знаем, что такое темная материя, то, как мы можем обнаружить ее присутствие?
Бондарь: Мы не знаем микроскопической природы темной материи, но регистрируем ее гравитационные эффекты. Сегодня есть теоретические соображения для того, чтобы считать, что ТМ имеет корпускулярную природу, то есть состоит из неких частиц, которые очень слабо взаимодействуют как с обычной барионной материей, так и электромагнитным излучением. Поэтому наблюдать такое взаимодействие очень сложно, но все-таки можно и мы понимаем как.
РГ: В мире уже есть целый класс детекторов ТМ, но никому еще не удалось ее обнаружить.
Бондарь: Задача гранта - не обнаружение темной материи (это слишком масштабная проблема), а создание прототипа детектора ТМ. Развитием новых методов регистрации частиц в ИЯФе занимаются уже давно. В последние годы мы разрабатываем методику, которая нам кажется перспективной, в том числе и для частиц ТМ. Теперь с помощью гранта эти работы можно резко ускорить. До сих пор в мире никому не удалось зарегистрировать частицы ТМ, но мы постараемся показать, что можно создать прибор лучше, чем уже существующие. В рамках гранта мы должны довести детектор до состояния технического проекта, чтобы потом уже в рамках международного партнерства построить эту установку из категории "мега-сайенс".
РГ: В большинстве детекторов ТМ в качестве рабочего материала используется сжиженный ксенон, а как у вас?
Бондарь: Мы предлагаем использовать жидкий аргон, он значительно дешевле, и можно сделать детектор большего объема - на тонны и даже десятки тонн вещества, а, значит повысить вероятность регистрации ожидаемого события. Еще одно преимущество в том, что метод, который мы предлагаем, позволяет значительно подавить фон от распадов различных радиоактивных примесей, всегда содержащихся в детекторе.
РГ: В рамках гранта заявлены также исследования темной энергии, это чисто теоретические расчеты?
Бондарь: Конечно, это теоретические исследования, но основанные на экспериментальных данных. Александр Дмитриевич пригласил к участию в этих работах ведущих специалистов Института теоретической и экспериментальной физики им. А. И. Алиханова, занимающихся расчетами свойств сверхновых звезд типа "Ia".
Они замечательны тем, что после взрыва выделяют стандартную энергию - это так называемые "стандартные свечи", которые видны на расстоянии до 10 миллиардов световых лет. Яркость звезд этого типа всегда одинакова, так как они взрываются после достижения одинаковой критической массы (в системе двойной звезды "гигант - белый карлик"). Но в зависимости от индивидуальных особенностей звезды (некоторые, например, взрываются асферично) яркость "стандартной свечи" колеблется и этот разброс ограничивает точность измерений. Теоретические расчеты позволяют оценить эти поправки, а значит, скорректировать данные и уточнить расстояния до далеких сверхновых во Вселенной. В рамках новой лаборатории мы планируем подготовить специалистов в этой области, такой научной школы в Академгородке еще не было. Создать ее с нуля невозможно, сейчас у нас появился шанс и его надо использовать.
РГ: Третья тема гранта: исследование проблемы ассиметрии материи и антиматерии.
Бондарь: Отсутствие антиматерии в наблюдаемой Вселенной является одной из главных загадок современной физики. По идее в результате Большого взрыва должно было возникнуть равное количество материи и антиматерии, однако по неизвестным пока причинам последняя в какой-то момент исчезла. До сих пор не удалось найти значимые ее количества, лишь отдельные античастицы. Можно предположить, что антиматерия имеет некий "изъян", который и привел к ее исчезновению и нарушению симметрии вещества.
Эффект асимметрии мы исследуем в экспериментах на коллайдерах, когда при взаимодействии частиц происходит нарушение комбинированной четности. А затем мы оцениваем эти данные с точки зрения возможности нарушения баланса "вещество - антивещество" уже в космологическом масштабе. У Александра Дмитриевича есть на это счет идеи, и он надеется развить их при нашем участии. Сотрудники ИЯФа, которые занимаются, проблемами, связанными с нарушением комбинированной четности, преподают в университете, так что для создания новой лаборатории все складывается весьма удачно.
РГ: А что будет в 2014 году, когда закончится грант?
Бондарь: Главная задача - создать за это время действующую лабораторию, чтобы она и дальше могла развиваться - давать научные результаты и готовить молодых специалистов. Конечно, два года - это весьма жесткий срок. Но в принципе грант может быть продлен еще на год-два.
РГ: Почему загадки Вселенной вызывают такой интерес в обществе?
Бондарь: Это вполне естественное явление. Любой интеллигентный человек, интересующийся современным состоянием науки, в курсе того, что за последние 20 лет произошли революционные изменения в наших представлениях о том, как устроена Вселенная, о структуре вещества в ней. И это не может его не интересовать!
РГ: В связи с этим, не пора ли вернуть астрономию в школьную программу?
Бондарь: Давно пора! Ведь изучение астрономии формирует научно обоснованную картину мира, кроме того, это привлекало бы молодежь к изучению естественных наук. Нужно восстановить в школе преподавание астрономии, и физфак НГУ всегда готов в этом всемерно помогать.
Кстати
Ноу-хау разрабатываемого в Академгородке детектора темной материи могут быть использованы для нужд позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Сегодня это наиболее эффективный метод ранней диагностики опухолевых образований. Новый тип детектора позволит повысить чувствительность метода и снизить дозу облучения пациента.
Справка "РГ"
Программа мегагрантов правительства РФ нацелена на развитие фундаментальных и прикладных исследований мирового уровня в российских вузах, поэтому основная часть руководителей выигравших проектов преподают в ведущих зарубежных университетах. Так, во втором этапе конкурса в 2011 году победили 39 ученых, 19 из которых имеют российское гражданство. Астрофизик Александр Долгов, химик Роберт Каптейн и специалист в области энергетики Камал Ханьялич создадут научные лаборатории в НГУ. Гранты выделяются в размере до 150 миллионов рублей каждый на проведение научных исследований в 2011-2013 годах с возможным продлением на срок до двух лет.