Вадим Кузьмин: от солнечных нейтрино до глубин космологии

Борис Штерн
«Троицкий вариант» №7(351), 19 апреля 2022 года

Оригинал статьи на сайте «Троицкого варианта»

Есть ученые, про достижения которых писать легко и приятно — они очевидные и яркие, их можно преподносить без всяких натяжек. К таковым относится Вадим Алексеевич Кузьмин, член-корреспондент РАН, большую часть жизни проработавший в ИЯИ РАН. 16 апреля исполнилось 85 лет со дня его рождения. К сожалению, его уже 7 лет нет с нами.

Наверняка многие читатели слышали про былую проблему солнечных нейтрино. Сначала зарегистрировали самые энергичные нейтрино борного цикла (опыт Дэвиса) — их сильно не хватало в сравнении с тем, что давали расчеты. Но борный цикл — не основной, недостачу нейтрино можно было бы списать на неточность модели Солнца. Основной цикл — протонный, в нем излучаются нейтрино меньших энергий, которые сложней зарегистрировать, но зато их поток однозначно связан с энерговыделением Солнца. Но как все-таки их зарегистрировать?

Именно этим занялся Вадим в начале 1960-х. Задача заключалась в поиске ядерной реакции, индуцируемой нейтрино небольшой энергии, такой, чтобы продукт этой реакции можно было обнаружить. Не просто обнаружить, а зарегистрировать единичные акты этой редкой реакции — выловить единичные ядра. Решение, найденное Кузьминым: галлий-германиевый метод, реакция захвата нейтрино галлием ⁷¹Ga + νe → 71Ge + e⁻. Изотоп ⁷¹Ge нестабилен (период полураспада 11 дней) и может быть зарегистрирован по распаду. Этот метод реализован в подземной Баксанской нейтринной обсерватории и в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии. Оба эксперимента подтвердили недостачу нейтрино, объяснение которой теперь стало общим местом: нейтринные осцилляции.

Космические лучи известны с начала ХХ века. Чем крупнее появлялись детекторы, тем более высокие энергии космических частиц они регистрировали. Есть ли предел энергии этих частиц? Оказывается, есть. В середине 1960-х Вадим Кузьмин вместе с Георгием Зацепиным обнаружили его чисто теоретически. Пространство заполнено фотонами реликтового излучения с температурой 2,7 К. При очень большой энергии протона он может провзаимодействовать с реликтовым (микроволновым) фотоном, родив π-мезоны и потеряв значительную часть своей энергии. То есть спектр космических протонов должен резко падать выше порога рождения пионов при взаимодействии протонов с реликтовыми фотонами. Этот самый порог находится в районе энергии 10²⁰ электронвольт. Одновременно и независимо от Зацепина с Кузьминым этот результат был получен и опубликован Грейзеном, явление получило название «порог ГЗК».

В 1960-х годах не существовало достаточно больших детекторов, чтобы регистрировать протоны таких энергий, они появились к концу века. Одна из таких установок, японский массив детекторов AGASA площадью более 100 км², зарегистрировала несколько частиц энергии выше 10²⁰ эВ, так что это явно противоречило порогу ГЗК. Это вызвало большой «шухер» среди теоретиков, появились даже идеи, что специальная теория относительности нарушается при сверхвысоких энергиях. Однако вскоре вступили в строй новые установки, показавшие согласие спектра протонов с порогом ГЗК, самый большой детектор имени Пьера Оже в Аргентине, а также Telescope Array в США продемонстрировали блестящее согласие. Научная общественность пришла к выводу, что команда AGASA неправильно прокалибровала энергию широких атмосферных ливней. В их спектре были и другие странности, а если принять эту ошибку, всё вставало на свои места. Так порог ГЗК был триумфально подтвержден.

Порог Грейзена — Зацепина — Кузьмина по современным данным. Красная линия — расчет, точки — результаты измерений установкой имени Пьера Оже (2017 год)

Это работы Вадима Кузьмина, которые были воплощены и экспериментально проверены. Другие, наиболее интересные, его работы относятся к недосягаемым масштабам.

Это прежде всего проблема барионной асимметрии Вселенной: как произошел перекос между веществом и антивеществом. Проблема была поставлена А. Д. Сахаровым в 1960-х, но конкретное решение, предложенное Андреем Дмитриевичем, было нереалистичным — физика частиц к тому времени была недостаточно развита. Вадим Кузьмин вместе с Александром Игнатьевым, Николаем Красниковым и Альбертом Тавхелидзе предложил более реалистичное решение, основанное на теории Великого объединения, гласившего, что при энергиях 10¹⁵ ГэВ появляется новая физика, новые тяжелые частицы, лептокварки, там сильно нарушается закон сохранения барионного числа, там нарушается термодинамическое равновесие и там может нарушаться комбинированная четность, обеспечивающая симметрию между миром и антимиром. А это и есть условия Сахарова для образования барионной асимметрии.

Теория Великого объединения сейчас подвисла в воздухе — ее предсказания, например распад протона, не подтверждены, но и не опровергнуты. Так и идея Кузьмина не опровергнута, хотя подтверждения она (пока?) не получила.

Вадим также работал вместе с Валерием Рубаковым и Михаилом Шапошниковым над другим вариантом нарушения барионной симметрии, происходящей при более низкой энергии, на более поздней стадии эволюции Вселенной — за счет электрослабых взаимодействий.

Большинство вариантов нарушения барионной симметрии подразумевает нестабильность протона, вопрос — на каком уровне. Экспериментальный верхний предел постепенно понижается, но есть теории, где время жизни протона настолько велико, что экспериментальная регистрация его распада безнадежна. Вадим догадался, что может происходить другой красивый процесс — переход нейтрона в антинейтрон: нейтрон-антинейтронные осцилляции по аналогии с нейтринными осцилляциями. Квантовомеханический эффект осцилляций частиц делает редчайшие процессы наблюдаемыми: так произошло с осцилляциями К-мезонов и нейтрино. Эта красивая идея пока не подтверждена, и неизвестно, может ли быть подтверждена, но и без экспериментальной проверки она остается красивой.

Наконец, хотелось бы отметить классическую работу, предвосхитившую важнейшую мировоззренческую картину: теорию вечной инфляции — множественного рождения вселенных, образование Мультиверса (автор концепции — Андрей Линде). Эта работа сделана Вадимом Кузьминым совместно с Виктором Березиным и Игорем Ткачевым. В работе продемонстрировано, как происходит «почкование» вселенных, это сделано на основе решения уравнений общей теории относительности в некоторых упрощающих предположениях, которые, тем не менее, не меняют сути. Замкнутую Вселенную можно представить как пузырь, вложенный в пространство большего числа измерений, — такое вложение не обязательно реально, но помогает представить происходящее. На этом пузыре во время инфляции из-за флуктуаций плотности начинает расти выпуклость. По мере ее роста образуется сжимающаяся перемычка между родительским и дочерним пузырями. В конечном счете получаются две независимые вселенные, возможно, соединенные кротовой норой, оставшейся от перемычки. Возможно, кротовая нора испаряется, и вселенные теряют связь. Эта работа была сделана еще до того, как Андрей Линде выдвинул концепцию вечной инфляции, но она великолепно вписалась в эту грандиозную картину. Собственно, она и есть — вечное почкование пузырей пространства, образующее бесконечный Мультиверс.

Каждая из этих работ заслуживает отдельного развернутого рассказа. Главное качество Вадима Кузмина как ученого — великолепная интуиция, подкрепленная замечательной фантазией. Он из тех физиков, которые чувствуют результат еще до проведения вычислений. И еще он был потрясающим рассказчиком — это относилось как к докладам, так и к личному общению. Он умел очень увлекательно рассказывать о сложных вещах, да еще с артистизмом! Достаточно было зайти к нему в кабинет просто поболтать, и он начинал говорить о какой-нибудь новой идее так, что невозможно было не проникнуться ей и не поверить в нее.