Что такое нейтринная обсерватория
Поймать нейтрино: как ученые ищут ответы в частицах, прилетевших на Землю со всех концов Вселенной
Обнаружение гравитационных волн и нейтрино входит в список наиболее важных открытий, совершенных физиками в начале XXI века. «Хайтек» рассказывает, как работают гравитационно-волновые и нейтринные обсерватории, как ученым удалось зафиксировать слияние двух черных дыр благодаря ряби в ткани пространства-времени и как редкие фундаментальные частицы позволят заглянуть за гипотетическую водородную стену на границе видимой Вселенной.
Читайте «Хайтек» в
Нейтринные обсерватории
Космические лучи — потоки элементарных частиц, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве, впервые зафиксированы в 1912 году. Такие частицы постоянно бомбардируют Землю, однако отследить их источник достаточно трудно.
Поскольку космические лучи состоят не только из нейтральных частиц (или нейтрино), но и из заряженных, они взаимодействуют с магнитным полем нашей планеты. Это взаимодействие изменяет их траекторию и затрудняет определение источника излучения.
При этом нейтральные частицы свободно проходят через магнитные поля, следуя изначально заданной траектории. Каждую секунду примерно 100 млрд нейтрино проходят через один квадратный дюйм вашего тела. Большинство из них формируется при слиянии протонов на Солнце и недостаточно энергичны, чтобы их можно было идентифицировать, но некоторые достигают нашей планеты из-за пределов Млечного пути.
На Земле нейтрино очень сложно зафиксировать — эти фундаментальные частицы почти не взаимодействуют с материей, за исключением редких случаев сталкивания нейтрино с ядром атома и следующей за этим ядерной реакции.
Последствия таких ядерных реакций почти незаметны: при столкновении нейтрино с ядром атома возникает черенковское излучение — слабое синее свечение, которое видно только в очень чистой воде или во льду. Излучение сохраняет информацию о траектории движения нейтрино и позволяет рассчитать энергию частицы. Это позволяет физикам изучить редкие частицы несмотря на то, что они неохотно идут на взаимодействие.
IceCube
Большая часть льда содержит пузырьки воздуха, которые образуют пустоты и искажают данные о траектории нейтрино. Но на глубинах более 2 км на Южном полюсе лед представляет собой однородную структуру без пузырьков — давление в нем столь велико, что лед сжимается и вытесняет воздух, пока не становится «чистым».
Этой особенностью глубинного антарктического льда воспользовались физики из миссии IceCube — построенная ими обсерватория находится на глубине 2,5 км под исследовательской станцией Амундсен-Скотт и представляет собой детектор нейтрино площадью около 1 куб. км.
Станция оборудована 56 «струнами» и 5,2 тыс. оптических датчиков. Частицы проходят по струнам, а оптические датчики пытаются зафиксировать слабое синее свечение мюонов — частиц, которые формируются в результате столкновений нейтронов с атомами льда и излучают слабое синее свечение.
Несмотря на то, что обсерватория располагается на Южном полюсе, детекторы собирают данные о космических нейтрино, приходящих со всех сторон света, в частности и из северного полушария. Толща Земли при этом выступает фильтром, отсекающим «лишние», или низкоэнергетичные частицы.
В 2014 году ученым из миссии IceCube удалось доказать, что внегалактические нейтрино достигают Земли. За первые три года работы обсерватория зафиксировала 37 нейтрино с энергией более 30 ТэВ — это в пять раз больше, чем энергия одного протона.
В сентябре 2017 года ученые впервые в истории зафиксировали нейтрино с исходной энергией в 230 ТэВ. Благодаря данным гамма-телескопа «Ферми» астрофизики обнаружили источник излучения — блазар TXS 0506+056, расположенный на расстоянии 4 млрд световых лет от Земли.
Эти открытия объясняют важность изучения нейтрино — эти фундаментальные частицы позволят ученым исследовать космические тела, расположенные на расстоянии более 13 млрд световых лет. За пределами этого рубежа пространство заполнено нейтральными атомами водорода, которые поглощают видимый свет, однако нейтрино преодолевают это пространство свободно.
Super-Kamiokande и SNO
IceCube — не единственная нейтринная обсерватория. В конце прошлого века ученые из проектов «Супер-Камиоканде» (Super-Kamiokande) и SNO получили Нобелевскую премию за открытие свойств нейтрино. Эксперименты на детекторах, основанных на принципе фиксации черенковского излучения, показали, что эта фундаментальная частица имеет массу, отличную от нуля.
Гравитационно-волновые обсерватории
Колебания пространства-времени обнаружить очень сложно. Дело в том, что такие колебания, возникающие из-за изменения гравитационных полей, очень слабы, они не ощущаются органами чувств и не воспринимаются обычными приборами, в отличие от звука или радиосигнала.
Существование гравитационных волн предположил Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности. Физик-теоретик считал, что причиной возникновения таких колебаний становится ускорение массы во Вселенной, например, слияние или поглощение двумя крупными объектами друг друга. Волны позволяют определить размеры объектов и расстояние до них. На основе этих данных ученые могут воссоздать космические тела до их столкновения.
Впервые в истории гравитационную волну удалось зафиксировать ученым из коллаборации экспериментов LIGO/VIRGO — колебания пространства-времени возникли в результате слияния двух черных дыр и появления одной сверхмассивной вращающейся черной дыры.
LIGO/Virgo
LIGO работает по принципу интерферометра — обсерватория состоит из двух плеч протяженностью 4 км. В начале и в конце каждого из них на изолированных вибростолах установлены сверхтехнологичные зеркала, которые движутся в одной плоскости. Лучи лазера в каждом из плечей движутся из дальней точки и объединяются в центре.
Идея, лежащая в основе эксперимента, заключается в том, что искажение пространства-времени, вызванное квадрупольной гравитационной волной, привело бы к тонкому удлинению одного из плеч при одновременном сокращении другого. Другими словами, если один из лучей прибывает с небольшим опозданием, срабатывает сигнал, который может свидетельствовать об обнаружении гравитационной волны.
Это удлинение крайне мало — в сентябре 2017 года физики из LIGO заметили сокращение длины лазера в плече на триллионную часть метра — примерно одну тысячную диаметра протона. Кроме того, разница во времени прибытия лазерных лучей составила всего 10 мс.
Virgo работает по тому же принципу и позволяет проверить данные LIGO. Сейчас оба проекта заморожены на неопределенный срок. На сегодняшний день LIGO и ее европейский партнер Virgo зафиксировали суммарно четыре гравитационных волны — в 2015 и 2017 годах.
Физики рассчитывают, что изучение гравитационных волн позволит понять причины сверхбыстрого вращения нейтронных звезд, изучить процесс слияния черных дыр.
eLISA
Ученые из НАСА и Европейского космического агентства (ESA) работают и над проектом гравитационно-волновой обсерватории в космосе — антенной eLISA. Аппарат, как и LIGO, будет работать по принципу интерферометра, однако луч лазера будет двигаться между зеркалами на астрономическом расстоянии. Это снизит частоту волн, воспринимаемых орбитальным аппаратом, на четыре-пять порядков по сравнению с LIGO.
Сейчас проект находится на стадии проектирования. Запуск космической антенны запланирован на 2034 год, рассчитанная продолжительность проекта — пять-десять лет.
Что такое нейтринная обсерватория
В глубине горы Андырчи в Приэльбрусье скрывается Баксанская нейтринная обсерватория. Ведущиеся тут исследования потенциально могут принести российским ученым Нобелевскую премию по физике. Научные установки обсерватории — уникальное наследие советской науки, сегодня ставшее объектом целевой поддержки со стороны государства.
Ученые не случайно буквально зарылись в землю. Толща грунта над головой защищает чувствительные детекторы от потока вездесущих космических лучей. Создаваемый ими радиационный фон тут более чем в десять миллионов раз ниже, чем на поверхности, а в специально защищенных помещениях в десятки тысяч раз снижена и компонента фона естественной радиоактивности. Это позволяет фиксировать главную цель наблюдений: поток нейтрино.
Нейтрино — это чрезвычайно легкая элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Эти частицы вездесущи. Они рождаются в процессе термоядерного синтеза в недрах звезд и при распаде радиоактивных элементов в глубинах нашей планеты. В окрестностях сверхмассивных черных дыр в ядрах далеких галактик и в верхних слоях атмосферы Земли. В исследовательских ускорителях и реакторах атомных электростанций.
Одно только Солнце рождает столько нейтрино, что каждый квадратный сантиметр земной поверхности вместе с ее обитателями ежесекундно пронзается десятками миллиардов этих частиц. К счастью, нейтрино почти не взаимодействуют с веществом. Пронзая насквозь не только наши тела, но и земной шар, эти частицы не оказывают на него никакого влияния.
Лишь ничтожная доля нейтрино сталкивается с ядрами атомов и вызывает ядерные реакции. Детекторы Баксанской обсерватории тщательно фиксируют эти редчайшие события, чтобы измерить количество нейтрино и энергию этих частиц. Есть множество причин, по которым ученым интересна эта частица. Например, солнечные нейтрино могут многое рассказать о строении Солнца. Рождаясь в самом его центре, они беспрепятственно проскальзывают в космос. Таким образом, нейтрино обеспечивают ученых информацией из первых рук о том, что происходит в центре звезды, дающей жизнь всему живому.
«Поток, который мы измеряем, идет непосредственно из ядра Солнца. Если там случится что-то неладное, например, замедление или интенсификация термоядерных реакций, благодаря нейтрино мы это сразу увидим, а на поверхности звезды это явление отразится через несколько десятков тысяч лет. В принципе, это достаточное время, чтобы подготовиться», — рассказывает заведующий обсерваторией доктор физико-математических наук Валерий Васильевич Кузьминов.
Нейтрино также рассказывают астрономам о подробностях вспышек сверхновых и поведения черных дыр.
Изучение нейтрино важно и для того, чтобы проникнуть в самые глубокие тайны материи, в законы, управляющие жизнью элементарных частиц.
У этих исследований есть и практическая составляющая. Так, нейтрино дают информацию о протекании термоядерных реакций. А именно такие реакторы в перспективе смогут обеспечить человечество безопасной, дешевой и экологически чистой энергией на многие эпохи. Существуют также проекты использования нейтрино для зондирования строения Земли и поиска полезных ископаемых.
В авангарде этих исследований находится Баксанская нейтринная обсерватория. Ее главная научная установка — это галлий-германиевый нейтринный телескоп (ГГНТ).
Сердце ГГНТ — это семь реакторов, содержащих в сумме 50 тонн жидкого галлия (этот металл плавится при 30 °C). Около 40% атомов галлия приходится на галлий-71, ядро которого содержит 31 протон и 40 нейтронов.
Лишь примерно одна частица в день вступает в реакцию с атомным ядром в мишени детектора (такая уж это трудноуловимая частица, нейтрино). В результате такого события галлий-71 превращается в германий-71. Число новорожденных ядер германия и позволяет измерять поток нейтрино.
Выловить тридцать атомов в месяц в 50 тоннах вещества — настоящий научный подвиг, по сравнению с которым поиск иголки в стоге сена — легкое развлечение. Чтобы понять это, достаточно вспомнить, что в стакане воды больше атомов, чем стаканов воды в Мировом океане. Однако физики разработали уникальную процедуру, позволяющую обнаружить 90% образовавшегося германия. Основная ее часть — синтез газообразного соединения германия с водородом. Это вещество подается в детектор, который фиксирует распад радиоактивных атомов германия.
ГГНТ — единственный радиохимический детектор нейтрино класса «мегасайенс» в мире. Как поясняет Кузьминов, у телескопа есть неоспоримое преимущество перед другими системами регистрации этих частиц. Дело в том, что 50-тонная мишень не реагирует на естественный радиационный фон, который, несмотря на все старания, невозможно снизить до нуля. Это повышает точность измерения потока нейтрино.
Основное назначение ГГНТ — регистрация солнечных нейтрино. Однако установка используется и для других целей. Так, именно здесь был проведен эксперимент BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions). Он был организован коллаборацией из 15 научных организаций России, Германии, США, Канады и Японии во главе с Институтом ядерных исследований РАН.
Этот эксперимент посвящен поиску стерильных нейтрино. Это гипотетическая частица, которая вообще не взаимодействует с атомными ядрами, однако ее можно обнаружить, наблюдая за другими нейтрино. Ее существование могло бы объяснить ряд необычных результатов, полученных в последние годы в разных лабораториях мира. Не исключено также, что именно из стерильных нейтрино состоит загадочная темная материя, которой во Вселенной в несколько раз больше, чем обычного вещества. Открытие такой частицы, безусловно, стало бы событием мирового масштаба и могло бы принести российским физикам Нобелевскую премию.
В рамках эксперимента BEST в зону действия детекторов ГГНТ поместили мощный искусственный источник нейтрино. Сбор данных продолжался с июля по октябрь 2019 года. Сейчас проводится анализ проб и измерение количества германия в них. Первые результаты планируется опубликовать уже в 2020 году.
Еще одна крупная установка обсерватории — Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп (БПСТ). Это четырехэтажное сооружение высотой 11 метров, спрятанное в горной выработке объемом 12 000 кубических метров. 3180 сосудов содержат в общей сложности 330 тонн уайт-спирита (легкого керосина). Когда нейтрино сталкивается с ядром атома, рождается частица мюон, движущаяся с околосветовой скоростью. Прохождение этой частицы через вещество детектора вызывает вспышку, которую фиксируют чувствительные датчики. Часть наблюдаемых телескопом мюонов генерируется не нейтрино, а космическими лучами, так что инструмент позволяет изучать и это явление.
Отдельная гордость обсерватории — низкофоновые лаборатории. В них радиационный фон снижен в десятки тысяч раз по сравнению с естественным. В таких условиях можно проводить уникальные биологические, медицинские и другие исследования. Так, сотрудники БНО самостоятельно создали и опробовали установку для измерения радиоактивности живого человека. На счету обсерватории сотрудничество с биологами, изучавшими здесь влияние радона на организм, и геофизиками, разместившими в недрах горы свою аппаратуру.
Как отмечает Кузьминов, технологии и методы, разработанные для поимки нейтрино, могут быть использованы в самых разных областях, в том числе и в медицинской.
Баксанская нейтринная обсерватория — один из знаковых объектов советской и российской науки. Решение о ее создании было принято в 1963 году. Главные научные установки обсерватории вступили в строй в конце 1970-х — начале 1980-х годов. Работа по созданию нового оборудования не прекращалась даже в трудные девяностые. Так, установка «Андырчи» начала работу в 1995 году. Сейчас учреждение представляет собой филиал Института ядерных исследований РАН.
В обсерватории и сегодня работают ветераны, начинавшие свой труд в 1960-е и 1970-е. Это, например, физик с мировым именем член-корреспондент РАН Владимир Николаевич Гаврин. Владимир Николаевич — ученик выдающихся исследователей М. А. Маркова, Г. Т. Зацепина и А. Е. Чудакова, стоявших у истоков отечественной и мировой нейтринной астрофизики. Гаврин непосредственно участвовал в разработке научного оборудования обсерватории. С 1986 года он возглавляет Лабораторию галлий-германиевого нейтринного телескопа.
Исследователь стал инициатором коллаборации SAGE, выдающегося примера международной научной кооперации. В ее рамках с 1989 года российские и американские физики совместно используют телескоп ГГНТ для изучения солнечных нейтрино.
Заслуженные ученые передают лучшие научные традиции советской школы новому поколению. Так, сотрудники обсерватории читают лекции в Кабардино-Балкарском государственном университете (КБГУ), одном из наиболее очевидных кандидатов на получение статуса опорного университета России. Эти университеты участвуют в формировании сети национальных лидеров высшего образования в рамках федерального проекта «Молодые профессионалы». В КБГУ организована базовая кафедра обсерватории. Отсюда в БНО приходит молодое пополнение.
Махти Кочкаров — младший научный сотрудник обсерватории, сейчас он готовит кандидатскую диссертацию. «Физика развивает склад ума, вызывающий интерес ко всему в природе, — рассказывает молодой ученый. — Наша обсерватория сосредотачивает в одном месте эксперименты, охватывающие довольно широкий круг задач».
Сам Кочкаров работает с БПСТ и изучает мюоны, которые генерируются при столкновении космических лучей с атомами воздуха. Исследователь работает в БНО с момента окончания КБГУ, где он и узнал об обсерватории и проводимых в ней наблюдениях.
Впрочем, это далеко не единственный способ познакомиться с местными ловцами частиц. Ученый рассказывает, что обсерватория проводит научные школы и конференции для молодежи. Молодые люди, побывавшие здесь, делятся этой информацией в социальных сетях. Так информационные технологии помогают распространять информацию об уникальном научном объекте.
«Сейчас нашей лабораторией заинтересовались, начали приходить молодые люди, новые сотрудники», — подчеркивает Махти. Свои профессиональные планы ученый связывает с обсерваторией. «У нас скоро будут новые эксперименты, новые детекторы, новые приборы», — говорит Кочкаров.
Настрой своего коллеги разделяет и Виктор Сергеевич Романенко, аспирант ИЯИ РАН. Уже второй год он работает в БНО в должности стажера-исследователя. «Еще будучи студентом магистратуры [КБГУ], я взаимодействовал с Баксанской нейтринной обсерваторией, — рассказывает исследователь. — В университете эта научная связь очень хорошо налажена. Это, можно сказать, опорный университет обсерватории. Очень много студентов и сотрудников [обсерватории] взаимодействуют друг с другом, получается очень хорошая работа».
«В моей работе меня привлекает то, что я могу заниматься чем-то еще не открытым, могу делать предположения и, возможно, открытия. Это свобода, которую мне дает наука», — объясняет Романенко.
Сейчас молодой ученый и его коллеги планируют реализовать в БНО проект, позволяющий изучать гамма-кванты Гамма-квант — элементарная частица гамма-излучения, высокоэнергетический (10 в 5-й степени электронвольт) фотон; это излучение может вызвать лучевую болезнь. меньшей энергии: от 10 тераэлектронвольт. Это намного расширит сферу исследований: астрономы смогут изучать гамма-кванты, приходящие из других галактик.
«Я могу сказать с большой уверенностью, процентов на 99%, что я останусь в Баксанской нейтринной обсерватории», — резюмирует Виктор.
Федеральные проекты в сфере высшего образования включены в национальный проект «Образование». Их цель — обеспечение глобальной конкурентоспособности российской высшей школы. «Молодые профессионалы» — проект, направленный на формирование сети национальных лидеров высшего образования.
Университеты-лидеры проведут обновление содержания образовательных программ за счет реализации проектов в ходе обучения, решения профессиональных задач (практико- и проектно-ориентированные программы) в кооперации с работодателями, а также обеспечат переход на модульное построение образовательных программ с включением «коротких» программ (адаптивность и гибкость). Со стороны государства будут обеспечены технологическая инфраструктура онлайн-обучения, нормативная правовая база для использования онлайн-курсов и развития академической мобильности студентов. Также будут созданы условия для академической мобильности (в первую очередь внутрироссийской) научно-педагогических работников и поддержаны лучшие практики. Системным эффектом от реализованных мероприятий будет являться повышение востребованности выпускников организаций высшего образования на рынке труда.
Оптимизм молодых сотрудников понятен. Сегодня БНО стала объектом целевой поддержки государства. В рамках национального проекта «Наука» выделены значительные средства на развитие инфраструктуры, обновление оборудования и выплаты сотрудникам. Так, на эти деньги ученые сейчас обновляют парк низкофоновых детекторов.
Молодой ученый, пришедший в Баксанскую нейтринную обсерваторию, сможет изучать объекты и процессы, вызывающие жгучий интерес астрофизиков (например, черные дыры и взрывы сверхновых, условия внутри Солнца и так далее). Уникальные данные телескопов, опыт старших коллег и финансовая поддержка государства обеспечат ему все условия для того, чтобы получать результаты мирового уровня.
Во всём мире проекты класса «мегасайенс», то есть очень большие и сложные научные установки, на которых получают выдающиеся результаты, являются точкой притяжения для научной молодежи и международной кооперации. Благодаря таким проектам Россия не только сохраняет свои нынешние позиции в фундаментальной физике, но и возвращается в лигу мировых научных держав.
Нейтринная обсерватория на дне Байкала
Нейтрино — это двигающиеся со скоростью света, нейтральные частицы. До недавнего времени считалось, что их масса равна нулю. Экспериментальное исследование этих частиц чрезвычайно затруднено, поскольку нейтрино имеют очень маленькое сечение взаимодействия с веществом. Для них проницаемо практически все, они беспрепятственно преодолевают гигантские расстояния и доставляют на Землю информацию о процессах, происходящих во всех частях Вселенной. Поэтому сегодня нейтрино-объект изучения мощных научных лабораторий во всех странах мира.
Верхние слои атмосферы постоянно бомбардируются частицами, прилетающими из космоса (в основном это протоны). Энергии их таковы, что они порождают цепочки ядерных реакций, одним из продуктов которых могут быть нейтрино. Источником нейтрино служит еще Солнце. Именно солнечные нейтрино помогают понять процессы, происходящие внутри Солнца и других звезд. И, наконец, следует сказать о нейтрино сверхвысоких энергий, потоки которых возникают, например, при взрывах сверхновых.
Для регистрации различных нейтрино строятся соответствующие установки, которые отличаются конструкцией, размерами и местоположением, в соответствии с тем, какой метод детектирования они осуществляют и на какую энергию частиц рассчитаны.
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 детекторы от излучения и помех.
«Рыбалка» началась
13 марта 2021 года состоялась официальная церемония запуска нейтринного телескопа Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector). Это крупнейшая подобная установка в Северном полушарии и одна из самых больших в мире (конкуренцию ей может составить только инструмент IceCube, сооруженный в Антарктиде).
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
Как ловить?
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.
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.