Он работает на стыке физики элементарных частиц и космологии — двух областей, которые пытаются ответить на самый фундаментальный вопрос современной науки: из чего на самом деле состоит Вселенная. Член-корреспондент РАН Дмитрий Горбунов — один из тех, кто не просто размышляет о природе тёмной материи, но и предлагает конкретные эксперименты по её обнаружению. Его подход парадоксален: чтобы увидеть невидимое, нужно научиться считать единичные фотоны посреди квантового шума.
Физик, который выбрал космос
Дмитрий Сергеевич Горбунов — ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, профессор кафедры фундаментальных взаимодействий и космологии Московского физико-технического института . Его научная биография — это история человека, который с самого начала выбрал самый сложный и фундаментальный уровень познания: устройство Вселенной на уровне элементарных частиц и их взаимодействий.
В 2015 году, когда коллаборации ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере объявили о детектировании избытка двухфотонных событий с инвариантной массой около 750 ГэВ, Горбунов оказался в числе тех, кто предложил объяснение. Он выдвинул гипотезу, что этот избыток может быть связан с образованием сголдстино — суперпартнёра гравитино в рамках суперсимметричных моделей . Хотя дальнейшие эксперименты не подтвердили этот сигнал, сама работа показала важную черту учёного: способность быстро реагировать на новые данные и предлагать нетривиальные теоретические конструкции.
От теории к эксперименту: уравнение Долгова и не только
Научные интересы Горбунова охватывают широкий спектр: от космологической инфляции до физики нейтрино. Он исследовал вопрос о физической природе максимально возможной величины плотности энергии в хаотической инфляции с плоскими потенциалами. На примере модели Старобинского и хиггсовской инфляции он показал, что начальные условия хаотической инфляции ограничены сверху масштабом сильной связи теории .
Ещё одно важное направление его работ — поляризация фотонов от распада частиц тёмной материи. Горбунов показал, что в случае асимметричной тёмной материи из дираковских фермионов поток приходящих фотонов будет поляризован по кругу. Это принципиально важно, потому что такую поляризацию в принципе можно измерить в будущих экспериментах .
Горбунов — не только теоретик, но и активный участник экспериментальной физики. Он входит в состав Учёного совета ИЯИ РАН, является членом Секции «Физика космических лучей» Совета РАН по космосу, а также редактирует авторитетный международный журнал Journal of Cosmology and Astroparticle Physics .
CASH: охота за аксионами на пределе возможного
Главный проект последних лет, в котором Горбунов играет ключевую роль, — это «Космологический Аксионный Саровский Галоскоп» (CASH). Большой коллектив российских физиков из Москвы, Нижнего Новгорода, Сарова и Санкт-Петербурга предложил амбициозную установку для поиска аксионов — гипотетических частиц, которые считаются одними из главных кандидатов на роль тёмной материи .
В чём суть проблемы? Аксионы, если они существуют, пронизывают всю галактику. В сильном магнитном поле они могут превращаться в фотоны — частицы света. Но сигнал этот чрезвычайно слаб. Традиционные детекторы пытаются его усилить, но вместе с сигналом усиливают и шум. Существует фундаментальный предел чувствительности — стандартный квантовый предел (SQL), который долгое время считался непреодолимым.
Горбунов и его коллеги предложили принципиально иной подход. Вместо того чтобы усиливать сигнал, они решили его считать.
«Мы предлагаем не просто улучшить существующие методы, а совершить качественный скачок. Традиционные галоскопы пытаются усилить слабый сигнал, неизбежно усиливая вместе с ним и шум. Мы же идём другим путём: мы не усиливаем, а считаем», — объясняет Горбунов .
Сердце новой установки — однофотонные детекторы на основе джозефсоновских переходов. Это сверхпроводящие устройства, которые при поглощении даже одного микроволнового фотона резко меняют своё состояние. Такой детектор может зарегистрировать рождение одного-единственного фотона из аксиона .
Уникальность проекта CASH заключается в комплексном подходе к подавлению шумов. Установка будет охлаждаться до 10–20 милликельвин в рефрижераторе растворения, что практически полностью исключает тепловые фотоны. Разработанные в России детекторы демонстрируют рекордно низкий уровень темновых срабатываний — не более одного ложного сигнала за 100 секунд, что на порядки лучше мировых аналогов .
Два этапа к разгадке тайны Вселенной
Проект CASH будет реализован в два этапа. На первом, CASH-I, будет использована фиксированная медная полость и магнит с полем 1,7 Тесла. Уже за 12 дней наблюдений эксперимент сможет достичь чувствительности, превосходящей все существующие аналоги.
Второй этап, CASH-II, предполагает использование магнита до 10 Тесла и внедрение системы перестройки частоты резонатора. Это позволит за год просканировать ранее недоступный диапазон масс аксионов от 38 до 54 микроэлектронвольт с чувствительностью, достаточной для проверки самых пессимистичных теоретических моделей .
В случае успеха эксперимент не только подтвердит существование аксионов, но и даст человечеству первый прямой взгляд на природу самой загадочной субстанции во Вселенной. Если же аксионы не будут найдены, полученные ограничения позволят исключить целый класс теоретических моделей и направить дальнейшие поиски в другом направлении.
Физик на переднем крае
Дмитрий Горбунов — учёный, который не боится брать на себя ответственность за самые сложные и рискованные направления исследований. Тёмная материя составляет более 80% всей материи во Вселенной, но мы до сих пор не знаем, из чего она состоит. Поиск аксионов — это не просто абстрактная научная задача. Это попытка понять, по каким законам устроен мир, в котором мы живём.
В интервью он не раз подчёркивал: современная фундаментальная физика требует объединения усилий теоретиков и экспериментаторов. Сам он работает именно на этом стыке — предлагает теоретические модели, которые можно проверить, и участвует в создании экспериментальных установок, способных эти проверки осуществить.
Проект CASH — яркий пример такого подхода. Это не просто «ещё один эксперимент». Это попытка заглянуть за стандартный квантовый предел, туда, куда раньше никто не мог смотреть. И если кто-то и способен там что-то разглядеть, то это физики, которые умеют считать единичные фотоны посреди шума и не боятся задавать самые фундаментальные вопросы о природе реальности.
Дмитрий Горбунов — пример учёного нового типа, который одинаково свободно чувствует себя и в мире абстрактных теоретических построений, и в мире сверхпроводящих детекторов и криогенных установок. В следующих статьях цикла мы продолжим рассказ о российских учёных, чьи работы меняют наше представление о мире.