Нейтринная обсерватория на дне Байкала

Нейтрино почти не имеют массы и электрического заряда, что затрудняет их наблюдение. Большинство нейтрино, которые существуют сегодня, образовались во время Большого взрыва, поэтому их изучение может дать понимание того, почему наша Вселенная выглядит именно так, а также знания о темной материи. Особый интерес для физиков представляют астрофизические нейтрино, то есть нейтрино сверхвысоких энергий, которые могут рождаться в активных ядрах галактик. Поскольку нейтрино не реагируют на магнитные поля как заряженные частицы, не поглощаются межзвёздной пылью, как фотоны, они несут информацию «с места событий». В частности, именно нейтрино первыми рассказали учёным о вспышке сверхновой 1987А в Магеллановом облаке — до того, как астрономы увидели оптическую вспышку.

Однако нейтрино непрерывно рождаются на Солнце, в недрах Земли, в атмосфере, в ядерных реакторах, и чтобы вычленить из этого фона относительно редкие астрофизические нейтрино, нужны действительно огромные детекторы, в которых в качестве «рабочего тела» используют огромные объемы воды или льда.

Озеро Байкал в России предоставляет учёным идеальную среду для наблюдения нейтрино, потому что эти частицы излучают видимый свет при прохождении через прозрачную воду. Глубина озера также может защитить детектор от излучения и помех.

Нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом, чтобы зафиксировать такое единичное взаимодействие требуются огромные детекторы с сотнями и тысячами тонн жидкого сцинтиллятора и сотнями фотодетекторов, отслеживающих слабые вспышки при таких взаимодействиях. Но даже такие нейтринные инструменты «ловят» по нескольку десятков нейтринных событий в год.

Охота началась

13 марта международная группа ученых запустила Baikal-GVD (Baikal Gigaton Volume Detector) — крупнейший нейтринный телескоп в Северном полушарии. Строительство телескопа идет с 2015 года, сбор данных о нейтрино с его помощью физики начали в в 2016 году.
Установку Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector) с 2015 года строят физики из Института ядерных исследований РАН совместно с коллегами из дубненского Объединенного института ядерных исследований и учёными из Германии, Польши, Словакии и Чехии. Каждый год в конце зимы ученые опускают в озеро один-два кластера, состоящие из восьми «гирлянд», на каждой из которых установлены 36 оптических модуля с фотоумножителями для фиксации вспышек черенковского излучения, возникающих в толще воды под действием нейтрино высоких энергий.

Один из оптических модулей

«Мы ожидаем, что скоро все вместе поймем Вселенную, мы раскроем ее историю, то как зарождались галактики», — заявил журналистам министр науки и высшего образования России Валерий Фальков. Он отметил, что это также важно для региона, поскольку наука является одним из двигателей регионального развития.

Директор Института ядерных исследований РАН Максим Либанов сообщил журналистам, что в проект вложено около 2,5 млрд рублей. Планируется развивать и дополнять проект. К 2030 году, если в мире не будут построены новые более крупные телескопы, Baikal-GVD станет крупнейшим на Земле.

Телескоп состоит из нескольких кластеров по восемь вертикальных гирлянд (тросов, на которых подвешены фотодетекторы). Одна такая гирлянда несет 36 фотодетекторов. Таким образом, всего в одном кластере 288 датчиков — больше, чем во всем НТ-200.
Первый такой кластер был запущен еще в 2016 году и тогда же начал сбор научных данных. В последующие годы добавлялись все новые кластеры и тоже сразу же включались в работу. Так что состоявшаяся недавно церемония открытия — в известной мере условность, ведь команда Baikal-GVD охотится за нейтрино уже несколько лет.

Всего в телескопе на данный момент семь кластеров, но уже в апреле текущего года планируется добавить восьмой. Тогда в установке будет 64 гирлянды и более 2300 фотодетекторов — объем в 0,4 кубического километра, в котором он способен «видеть» вспышки и идентифицировать частицы. В перспективе планируется довести эффективный объем телескопа до кубического километра.

«Никогда не упускайте шанс задать природе какой-либо вопрос. Никогда не знаешь, какой ответ получишь» — сказал 80-летний Григорий Домогацкий, российский физик, который в течение 40 лет возглавлял создание этого подводного телескопа.

Почему Байкал?

Исследователей привлекла не только глубина огромного водоема, позволяющая установить большой детектор. Вода Байкала очень прозрачна (видимость составляет до 20 метров). Кроме того, всю зиму поверхность озера покрыта толстым надежным льдом, через лунки в котором удобно опускать в воду оборудование. На глубине же зимой и летом царит температура +4°C, в самый раз для стабильной работы аппаратуры.

Поэтому именно на Байкале был сооружен первый в истории подводный телескоп, зафиксировавший космические нейтрино — НТ-200. Он был создан коллаборацией из нескольких российских НИИ во главе с Институтом ядерных исследований (ИЯИ РАН) в сотрудничестве с германским исследовательским центром DESY. Строительство НТ-200 началось в 1993 году, а уже через год телескоп зарегистрировал первые нейтрино. В 1998 году сооружение телескопа закончилось.

Этот инструмент получил интересные результаты. Но его скромные масштабы (всего 200 фотодетекторов, регистрирующих черенковское излучение) никак не могли удовлетворить астрономов. Для масштабного исследования космоса нужны и инструменты космического масштаба.

Поэтому была образована международная научная коллаборация «Байкал» во главе с ИЯИ РАН и Объединенным институтом ядерных исследований для строительства Baikal-GVD.

Домогацкий сказал, что его команда уже обменивается данными с охотниками за нейтрино в других местах и ​​что она нашла доказательства, подтверждающие выводы IceCube о нейтрино, прибывающих из космоса. Тем не менее он признает, что проект «Байкал» значительно отстает от других в разработке компьютерного программного обеспечения, необходимого для идентификации нейтрино в режиме, близком к реальному времени.

Несмотря на значимость проекта, он по-прежнему имеет ограниченный бюджет — почти все из примерно 60 учёных, работающих с телескопом, обычно проводят февраль и март в своем лагере на Байкале, устанавливая и ремонтируя его компоненты. IceCube, напротив, включает около 300 учёных, большинство из которых никогда не были на Южном полюсе.

Гирлянды индивидуальных детекторов нейтрино, составляющие Байкальскую обсерваторию

Во что стрелять?

Байкальский телескоп смотрит вниз, через всю планету к центру нашей галактики и дальше, по сути используя Землю как гигантское сито. По большей части, более крупные частицы, ударяющиеся о «противоположную сторону» планеты, в конечном итоге сталкиваются с атомами.

Идея нейтринного телескопа обсуждалась еще в 1970-х годах, работающего в реальном времени благодаря эффекту Вавилова–Черенкова. «Сердце» такого телескопа — это огромная масса прозрачного вещества (воды или льда). Когда нейтрино врезается в протон атомного ядра, тот превращается в нейтрон и испускает другую частицу — мюон. Тот тоже врезается в какое-нибудь атомное ядро, и так далее. В результате рождается целый каскад заряженных частиц, движущихся сквозь воду или лёд быстрее света.

Но как это возможно? Разве скорость света — не предельно возможная по законам физики (причина неутолимой печали для всех, кто мечтает о межзвёздных путешествиях)? Да, но лишь пока речь идет о скорости света в вакууме. А в любой другой среде свет движется медленнее и его вполне можно обогнать. Когда же заряженная частица движется сквозь среду быстрее света, она сама испускает свет (это и называется эффектом Вавилова–Черенкова). Такое свечение и фиксируют специальные датчики-фотодетекторы.
Поскольку нейтрино очень редко сталкиваются с атомными ядрами, объем воды или льда должен быть огромным.

«Байкал» — северный напарник

Предприятие на Байкале — не единственная попытка охоты за нейтрино в самых отдаленных уголках мира. Десятки приборов ищут частицы в специализированных лабораториях по всей планете. Но новый российский проект станет важным дополнением к работе IceCube, крупнейшего в мире нейтринного телескопа, американского проекта стоимостью 279 миллионов долларов, который охватывает около четверти кубической мили льда в Антарктиде.

Используя сетку световых детекторов, аналогичную байкальскому телескопу, IceCube идентифицировал в 2017 году нейтрино, которое, по словам учёных, почти наверняка пришло из сверхмассивной черной дыры. Это был первый случай, когда учёные определили источник дождя высокоэнергетических частиц из космоса, известного как космические лучи, — прорыв в нейтринной астрономии, которая остается в зачаточном состоянии.

«Это как смотреть на ночное небо и видеть только одну звёзду», — сказал Фрэнсис Л. Халзен, астрофизик из Университета Висконсина в Мэдисоне и директор IceCube, описывая текущее состояние «охоты на призрачных частиц». Ранние работы советских учёных вдохновили Хальзена в 1980-х годах на создание детектора нейтрино во льдах Антарктики.

IceCube

Исследователей Вселенной интересуют нейтрино с очень высокой энергией: 60-100 тераэлектронвольт. Только такие частицы можно надежно выделить из потока нейтрино, рождающихся в атмосфере Земли под действием космических лучей. По словам руководителя проекта Baikal-GVD члена-корреспондента РАН Григория Домогацкого, при восьми работающих кластерах можно ожидать регистрации четырех–пяти подобных частиц в год. Для сравнения: за последние десять лет IceCube «поймал» их около сотни.

Как и сами нейтрино, проекты по их изучению не признают границ. Baikal-GVD и IceCube входят в консорциум «Глобальная нейтринная сеть» (Global Neutrino Network). Его третий участник — сеть KM3NeT, строительство которой сейчас ведется в Средиземном море у берегов Франции, Италии и Греции. Пока оно находится в начальной стадии: установлено лишь несколько гирлянд с фотодетекторами. Но в перспективе это будет очень масштабный инструмент.

Антарктида, Байкал и Средиземноморье довольно удалены друг от друга. Благодаря этому система из трех нейтринных телескопов приобретает своего рода стереоскопическое зрение, позволяющее точнее определять направление на источник нейтрино.

Зафиксировав интересное событие, астрономы могут сразу же указать его координаты своим коллегам, работающим с оптическими и другими телескопами. Подобное «быстрое наведение» давно практикуется астрономами, изучающими скоротечные процессы. Так что Baikal-GVD вливается в тесную компанию самых разных проектов, объединенных общей целью — раскрыть тайны Вселенной.

«Нейтрино путешествует по Вселенной, не сталкиваясь практически ни с чем и ни с кем», — сказал Домогацкий. «Для него Вселенная — прозрачный мир».

---

На правах рекламы

VDS для любых целей — это именно про виртуальные серверы от нашей компании. Сконфигурируйте собственный тариф в пару кликов, устанавливайте любую операционную систему и абсолютной любой софт.