Что такое нейтринный телескоп
В России создан самый большой нейтринный телескоп. Что это и для чего он нужен?
На озере Байкал заработал телескоп Baikal-GVD для улавливания нейтрино. Так называются частицы, которые образуются в ходе ядерных реакций и обладают способностью проникать даже через самые сложные объекты. Например, нейтрино может пройти через слой жидкого водорода толщиной в тысячу световых лет. Эти частицы доходят до Земли из разных уголков Вселенной и могут рассказать многое о строении и возникновении космоса. Однако, этих частиц очень мало и чтобы их «выловить» ученые используют толстый слой льда, причем очень большой площади. Создавать и содержать огромный бассейн специально для работы телескопа очень дорого, поэтому ученые используют естественные водоемы. Рассказываем, как работает телескоп Baikal-GVD и для чего он нужен. Как всегда — только самое важное, что нужно знать.
Оптический модуль телескопа Baikal-GVD
Из чего состоит телескоп Baikal-GVD?
Строительство телескопа Baikal-GVD началось в 2015 году и на это потребовалось 2,5 миллиарда рублей. Устройство состоит из совокупности глубоководных станций и прикрепленных ко дну байкала стальных тросов. Станции, именуемые как вертикальные гирлянды, удерживаются на глубине около 20 метров при помощи специальных поплавков. К тросу, на расстоянии 15 метров друг от друга, подвешены 36 оптических модулей. Также в состав телескопа входят четыре электронных модуля для питания электричеством, сбора данных, управления телескопом и выполнения других задач. Вдобавок ко всему, есть несколько так называемых гидроакустических модулей, которые нужны для удерживания оптических модулей в нужном положении. Станции объединены в группы, которые соединены с Береговым центром.
Конструкция оптического модуля
Интересный факт: так как для работы телескопа очень важен лед, работать он сможет только зимой.
Как работает нейтринный телескоп?
Но главными элементами телескопа являются не оптические модули, а лед на поверхности Байкала. Аппарат «улавливает» частицы нейтрино, которые прилетают с обратной стороны Земли. Частицы пролетают через всю мантию, ядро и другие слои планеты. В один момент из них рождается следующая частица — разряженный мезон. Если зарождение происходит во льду, оно испускает излучение, которое и могут уловить ученые. Как можно понять, это происходит крайне редко и поймать их очень сложно. Но у Байкала очень большая площадь и вероятность улова многократно увеличивается.
Коротко о том, как работает Baikal-GVD
Это далеко не первый нейтринный телескоп в мире — самый большой расположен на территории Антарктиды и называется IceCube. Долгое время он был единственным, кто может не только улавливать частицы, но и определять координаты их появления. Точность распознавания источника нейтрино в телескопе IceCube составляет 10-15 градусов. Но толщина льда Байкала позволяет увеличить точность до 4 градусов. К тому же, на Байкале нет светящихся микроорганизмов и сильных волнений воды, что еще больше способствует получению более точных данных.
Нейтринный телескоп IceCube
Телескопы IceCube и Baikal-GVD будут смотреть на разные части неба и тем самым дополнять друг друга. Байкальский телескоп будет ловить нейтрино, пронизывающие Землю с Южного полюса и выходящие в Северном полушарии. А телескоп в Антарктиде фиксирует частицы, пронизывающие планеты с Севера и выходящие на Юге. Благодаря совместной работе телескопов, ученые смогут наблюдать сразу за большим количеством небесных объектов. Из Байкала будет видна Большая Медведица, а из Антарктиды — Магеллановы Облака.
Зачем нужно изучать нейтрино?
Ученые уверены, что нейтрино могут прилететь из недр рождающихся и умирающих галактик и нести с собой информацию о процессах, которые происходят во Вселенной. Есть надежда, что изучение этих частиц поможет узнать больше об эволюции галактик и других космических объектов. Также российские ученые надеются, что благодаря нейтрино им удастся следить за темпом термоядерных процессов, происходящих в недрах Солнца. Однако, ожидать быстрых результатов точно не стоит. Опыт использования других подобных телескопов показывает, что на обнаружение частиц могут уйти годы.
Нейтрино могут раскрыть тайны Вселенной
Ссылки на интересные статьи, смешные мемы и много другой интересной информации можно найти на нашем телеграм-канале. Подпишитесь!
Другие нейтринные телескопы также расположены на территории Средиземного моря, Китая и Японии. Впервые же частицы нейтрино были выловлены в 1970-е годы, при помощи телескопа в толще кавказской горы Андырчи. Однако, чтобы обнаруживать частицы нейтрино с большей точностью, была необходима более чистая вода. Именно из-за этого в 1990 году и было принято решение создать телескоп на Байкале. Тогда это была первая версия, но теперь заработала более совершенная.
Что увидит новый телескоп Baikal-GVD: нейтрино сверхвысоких энергий и эволюция галактик
Построенный на озере Байкал крупнейший в Северном полушарии глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD ввели в эксплуатацию. Телескоп предназначен для регистрации и исследования потоков нейтрино сверхвысоких энергий, прилетающих из космоса. Рассказываем, как он будет работать.
Читайте «Хайтек» в
Что это за телескоп?
Байкальский нейтринный телескоп (Baikal Gigaton Volume Detector, Baikal-GVD) — нейтринная обсерватория, находящаяся на дне озера Байкал. В данный момент продолжается строительство кубокилометровой версии.
По окончании постройки к 2020 году объем детектора будет сравним с крупнейшим на сегодняшний момент детектором нейтрино IceCube. Телескоп наряду с IceCube, ANTARES и KM3NeT входит в Глобальную нейтринную сеть (GNN) как важнейший элемент сети в Северном полушарии Земли.
Обсерваторию эксплуатирует коллаборация «Байкал», которая включает:
Нейтринный телескоп BAIKAL-GVD предназначен для регистрации и исследования потоков нейтрино сверхвысоких энергий от астрофизических источников. С его помощью ученые планируют исследовать процессы с огромным выделением энергии, которые происходили во Вселенной в далеком прошлом.
Одной из загадок современной астрофизики является механизм рождения во Вселенной астрофизических нейтрино, в миллиарды раз энергичнее солнечных нейтрино, и Байкальский нейтринный телескоп благодаря своим уникальным характеристикам сможет пролить свет на эту тайну.
Первая версия глубоководного нейтринного телескопа на Байкале была развернута в 1998 году. С его помощью проводились измерения частиц нейтрино, рождавшихся в атмосфере Земли.
Результаты исследований привели к созданию на Южном полюсе нейтринного телескопа IceCube. Именно на нем впервые были зафиксированы нейтрино высокие энергии, что подтвердило правильность и перспективность создания сети подобных по размеру телескопов.
Что такое нейтрино?
Нейтрино — прекрасный «рассказчик» об астрофизических катаклизмах. Оно летит сквозь Вселенную, практически никем и ничем не поглощаясь.
Поскольку эта частица нейтральная, магнитными и электрическими полями она не отклоняется, а это значит, что ее источник лежит именно в том направлении, откуда зарегистрировали появление нейтрино.
Источниками долетевших до Земли космических нейтрино служат взрывы сверхновых звезд, черные дыры, активные ядра галактик или двойные звездные системы. Именно поэтому нейтрино — прекрасный инструмент для изучения происходящих в космосе процессов.
Зачем нужен нейтринный телескоп?
Открытие астрофизических нейтрино высоких энергий в 2013 году ознаменовало рождение новой области знаний — нейтринной астрофизики высоких энергий.
Это произошло, когда размещенный на Южном полюсе в толще антарктического льда детектор IceCube впервые зарегистрировал нейтрино с энергией выше 1000 ТэВ. На сегодняшний день экспериментом IceCube в Южном полушарии зарегистрировано более 100 астрофизических нейтрино высоких энергий.
Чтобы детектировать нейтрино со всей небесной сферы, требуется создание нейтринного телескопа гигатонного масштаба в Северном полушарии. Поэтому, начиная с 2015 года, на озере Байкал ведется активное строительство нейтринного телескопа второго поколения Baikal-GVD.
Процесс работы Baikal-GVD
Байкальский нейтринный телескоп — это нейтринный детектор, расположенный в озере Байкал на расстоянии 3,6 км от берега, где глубина озера достигает 1 366 м. Место для установки было выбрано не случайно.
При прохождении нейтрино сквозь толщу Байкальской воды есть вероятность, что некоторые из неуловимых частиц все-таки будут остановлены водой. В случае такого взаимодействия образуется либо мюон, либо ливневый каскад из частиц высоких энергий.
И мюон, и ливневый каскад вызывают свечение воды, называемое в физике черенковским излучением — явление, обнаруженное советскими физиками П. А. Черенковым и С. И. Вавиловым.
Такое свечение возникает тогда, когда заряженная частица (например, мюон) движется в воде со скоростью больше, чем скорость света в воде (скорость света в воде уменьшается обратно пропорционально коэффициенту преломления).
Фактически происходит явление, при котором мюон обгоняет свет. Задача детектора — зарегистрировать черенковское излучение и отделить события с астрофизическими нейтрино от остальных возможных событий.
Сколько стоил телескоп?
На проект по строительству было потрачено около 2,5 млрд рублей, он занимает площадь около 0,5 км² и предназначен для поиска источников нейтрино сверхвысоких энергий, в том числе в недрах рождающихся или умирающих галактик.
Исследование этих частиц поможет ученым понять, каким образом возникла и эволюционировала Вселенная в процессе истории.
Подземные детекторы нейтрино
Помимо нескольких подводных нейтринных детекторов, существуют также подземные детекторы, работающие по тому же принципу. Их отличие в том, что для детектирования используется искусственный резервуар со специальной водой.
Также благодаря своему расположению данные телескопы используют земные породы в качестве фильтра частиц, избавляющих детекторы от регистрации стороннего (фонового) излучения, вроде космического.
Наибольшим подземным нейтринным детектором является Super-Kamiokande, который располагается несколько севернее Токио, в цинковой шахте на глубине 1 км.
Детектор представляет собой резервуар диаметром 40 м и высотой 42 м, который состоит из нержавеющей стали. Он заполнен 50 000 т очищенной воды. На стенах резервуара находятся 11 146 фотоумножителей, высокая чувствительность которых позволяет зарегистрировать даже один квант света. Постройка Super-Kamiokande была завершена в 1983 году.
Еще один детектор, в разы меньший Super-Kamiokande, расположен около канадского города Садбери в шахте на глубине двух километров — Sudbury Neutrino Observatory.
SNO — акриловая сфера диаметром 12 метров и толщиной стенок – 5,5 см, которая заполнена тяжелой водой D2O и покрыта 9 600 фотоумножителями.
Особенности нейтринного телескопа Baikal-GVD
Байкальский нейтринный телескоп установлен на расстоянии 3,5 км от берега на глубине от 750 до 1 300 м в южной котловине Байкала. Это озеро для размещения телескопа выбрано в связи с тем, что в нем есть участки глубиной до 1 км недалеко от берега и подходящие для установки научного оборудования. Вода Байкала имеет необходимую для экспериментов прозрачность.
Кроме того, озеро около двух месяцев в году покрыто льдом, что значительно облегчает установку и обслуживание телескопа по сравнению с другими проектами, когда телескопы разворачивают с морских судов.
Нейтринные телескопы
Изучение различных космических явлений, а также тел, связанных с ними, происходит посредством регистрации частиц, излучаемых указанными объектами. Достигая Земли, такие излучения могут быть зарегистрированными учеными при помощи разного типа телескопов.
Разбираемся что же такое нейтрино
Поток протонов и более тяжелых ядер могут достигать огромных энергий (10 21 эВ). Однако по причине того, что эти частицы имеют электрический заряд – они взаимодействуют с магнитосферой Земли и теряют часть своей энергии, а также информацию о траектории. В силу данного явления определить источник и природу этих частиц становится невозможным.
К незаряженным частицам, которые можно принять из космоса относятся фотоны. И хотя астрономы наблюдают их в очень широком диапазоне, все же фотоны высоких энергий (>100 ГэВ) слишком быстро поглощаются и не позволяют определить их источник. По этой причине дальность видимости астрономов ограничена некоторым расстоянием и в дальние области Вселенной заглянуть не удается.
Материалы по теме
Атмосфера Земли
Однако, существует еще одна частица, которая не имеет заряд и при этом слабо взаимодействует с веществом – нейтрино. Такие частицы рождаются во взаимодействиях ядер и протонов с веществом тела-источника. В силу слабого взаимодействия с любыми материалами и электромагнитным полем нейтрино способны беспрепятственно путешествовать на огромные расстояния, при этом не меняя своей траектории. Эти свойства нейтрино дают ученым возможность наблюдать за дальними уголками Вселенной посредством регистрации и исследования прилетающих из космоса нейтрино.
Можно провести сравнение с видимым светом Солнца и наблюдением за ним при помощи основного оптического инструмента человека — глаза. Как только Солнце заходит за горизонт, то видимый свет, который не способен проходит сквозь Землю, не доходит до зрачка глаза и не может быть замечен человеком. Однако, если бы глаз улавливал не свет, а нейтрино, излучаемое Солнцем, то человек мог бы увидеть Солнце буквально сквозь Землю, так как нейтрино способны пролетать сквозь Землю. По этой причине ученые способны увидеть намного больше информации о космических процессах и телах при помощи инструментов, способных регистрировать нейтрино – нейтринных телескопах.
Регистрация нейтрино посредством черенковского излучения
Но конструирование инструмента, способного уловить такие «неуловимые» частицы как нейтрино – совершенно непростая задача. Ведь как уже было сказано ранее – эти частицы практически не взаимодействуют с окружением.
Моисей Марков — родоначальник изучения нейтрино
Моисей Марков – советский физик-теоретик, который провел немало работ в области физики нейтрино, обосновал возможность наблюдения нейтрино в подземных обсерваториях. В 1960-м году Моисей Александрович предложил регистрировать нейтрино в озерах и океанах – глубоко под водой. Это возможно посредством так называемого черенковского излучения. Дело в том, что скорость света при прохождении сквозь воду несколько падает в силу взаимодействия фотонов с водой. В это же время нейтрино в результате малых взаимодействий с водой порождает множество заряженных частиц, которые имеют высокую энергию и движутся сквозь воду быстрее, чем фотоны – то есть чем свет, который движется в воде.
В случае, когда заряженная частица движется сквозь прозрачную среду со скоростью больше скорости света в этой среде – она излучает большое количество фотонов, которые можно зарегистрировать. Это явление и получило название — эффект Вавилова — Черенкова.
Таким образом, пролетающие сквозь воду нейтрино, при взаимодействии со средой выделяют заряженные частицы вроде мюонов (в 100-200 раз тяжелее электрона) или целые каскады частиц, состоящих из электронов и позитронов. Эти заряженные частицы движутся в воде со скоростью больше скорости света в воде, а потому выделяют огромное количество фотонов, которые и улавливаются нейтринными телескопами.
В силу «экзотических» особенностей регистрации нейтрино, нейтринные телескопы совсем не похожи на оптические или радио, а скорее напоминают какие-то установки, используемые в физике элементарных частиц. Регистрация производится посредством фотодетекторов, улавливающих то самое черенковское излучение. Для усиления данного излучения в детекторы также должны входить фотоэлектронные умножители – приборы, усиливающие поток фотонов в 10 000 раз.
Подводные нейтринные телескопы первого поколения
С момента предложения указанной концепции инструмента, регистрирующего нейтрино, в США началась разработка подобного телескопа. В 1970-х обсуждалась целесообразность такого проекта, а в 1980-х был разработан проект DUMAND. Согласно плану, устройство должно было иметь около 20 000 умножителей, равномерно расположенных в кубическом километре в океане, около берегов Гавайи. Подводные структуры таких грандиозных масштабов ранее не создавались и по этой причине реализация американского нейтринного телескопа происходила довольно медленно. В 1988-м году количество фотоумножителей телескопа было уменьшено до 216-ти, которые должны были располагаться на девяти лентах, похожих на гирлянды. Первая из этих гирлянд была установлена в 1993-м году, однако конструкция пропустила воду и коннектор, связывающий телескоп с берегом претерпел короткое замыкание и вышел из строя. Долгая реализация проекта, а также неудача при первой установке вынудила власти США прекратить финансирование данных исследований.
Схема работы НТ-200
Параллельно с этими событиями происходила разработка нейтринного телескопа в СССР. В 1980 для этих целей было решено использовать озеро Байкал, который имеет достаточную глубину, а также очень прозрачную воду. Для решения поставленной задачи была создана коллаборация под названием «Байкал», в которую вошло несколько институтов, в том числе Институт ядерных исследований РАН (тогда просто Академии наук). В 1994-м году развертка НТ-200 на дне Байкала была окончена. Нейтринный телескоп содержал почти 200 оптических модулей (196), и в том уже году смог зарегистрировать первые нейтрино.
Несколько позже американцы совершили вторую попытку создания нейтринного телескопа, на этот раз во льдах Антарктиды, так как лед также является прозрачной средой. Бурение скважины происходило с использованием горячей воды, далее в скважину опускались фотоумножители. На проведение указанной операции у ученых было всего 48 часов, после чего скважина вновь замерзала. Данный детектор представлял собой 677 оптических модулей, которые располагались на 19-ти отдельных кабелях, помещенных на глубину 1500-1900 метров и образующих кольцо диаметром 200 метров. Проект был назван AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) и был реализован в течение пяти лет (1995-2000 гг.).
НТ-200 и AMANDA стали нейтринными телескопами первого поколения.
В 2008-м году евразийской коллаборацией (в т.ч. МГУ) была разработана еще одна подводная установка для регистрации нейтрино описанным способом – ANTARES. Она продолжает работу и сегодня – в Тулонской бухте вблизи Франции. Данная установка состоит из 12-ти 30-тиметровых вертикальных гирлянд, крепящихся ко дну одним концом и к бую – другим, и имеющих на себе по 75 оптических модулей. Гирлянды располагаются на расстоянии 70-ти метров друг от друга.
Дальнейшее развитие подводных нейтринных телескопов
Три упомянутых нейтринных детектора показали принципиальную возможность регистрации космических нейтрино из дальних областей Вселенной. Однако, в то же время стало ясно, что существующие размеры детекторов крайне малы для желаемой интенсивности регистрации, и для данной цели потребуются телескопы объемом порядка кубического километра. В результате этого во всех трех местах начались работы по реализации проектов такого масштаба.
Первым завершенным проектом стал наследник детектора AMANDA — нейтринная обсерватория IceCube («ледяной куб»), которая располагается в Антарктиде, на станции Амундсен-Скотт – прямо у Южного полюса Земли. Детекторы телескопа в виде гирлянд располагаются на глубине от 1450 до 2450 метров, каждая такая гирлянда имеет 60 фотоумножителей. Проект получил название «ледяной куб» так как общий объем, с которого производится регистрация черенковского излучения составляет 1 кубический километр. IceCube детектирует нейтрино, которые идут со стороны Земли. Такая настройка позволяет отфильтровать поток нейтрино от общего потока частиц, которые могут приходить из атмосферы или космоса. Насколько известно ученым – только нейтрино способно пролететь сквозь вещество Земли. Таким образом IceCube, находясь на Южном полюсе, улавливает частицы, приходящие с северной стороны планеты. Запуск данного современного детектора в 2011-м году ознаменовал начало эры нейтринной астрономии. К 2028-му году планируется расширить данный нейтринный телескоп до 10 кубических километров.
Несмотря на свои масштабы, установка IceCube все же имеет недостатки, которые вызваны тем, что лед все же несколько рассеивает рождаемые внутри фотоны, а потому, говоря простыми словами, получаемое изображение из космоса несколько размыто. В воде же рассеивание фотонов практически нет и точность наблюдений будут значительно точнее. Это оправдывало постройку нейтринных телескопов в двух других упомянутых местах.
KM3NeT в представлении художника
В 2010-х началось создание массива нейтринных телескопов на дне Средиземного моря. В трех локациях, у берегов Франции (KM3NeT-Fr), Италии (KM3NeT-It) и Греции, планировалось расположить по два блока детекторов, каждый объемом около 0,5 кубического километра. В 2015-м году первая гирлянда детекторов KM3NeT-It была установлена недалеко от обсерватории ANTARES у берегов Сицилии и в декабре того же года новый телескоп начал регистрировать нейтрино. Каждый блок KM3NeT-It будет располагаться на глубине около 3400 метров и гирлянды высотой около 700 метров образуют область детектирования объемом 0,5 кубического километра. Оптические модули располагаются на гирлянде на расстоянии в 20 метров друг от друга. Французский детектор KM3NeT-Fr планируется поместить на глубину в 2475 метров. И хотя он будет иметь столько же узлов сколько их у KM3NeT-It, его размеры будут в 250 раз меньше итальянского, так как узлы будут значительно ближе друг к другу. В связи с этим KM3NeT-Fr сможет заняться поиском нейтрино меньших масс. Завершение установки всех шести блоков KM3NeT планируется к 2025-му году.
Погружение части телескопа Байкал
Кубокилометровая версия нейтринного телескопа разрабатывается и в России. Так коллаборация «Байкал» в 2015-м году развернула первый кластер гирлянд под названием «Дубна». Кластер представляет собой 192 сферических оптических модуля, расположенных на нескольких гирляндах на глубине 1300 метров на дне озера Байкал. К 2020-му году планируется развертывание установки из 10-12 кластеров, общим объем которых составит около 0,5 кубического километра.
Для совместного анализа данных с трех наибольших нейтринных детекторов все три коллаборации («Байкал», коллаборации обсерваторий KM3NeT и IceCube) объединились в международный консорциум — Глобальная нейтринная обсерватория.
Расположение трех подводных нейтринных телескопов
Подземные нейтринные детекторы
Помимо нескольких подводных нейтринных детекторов существуют также подземные детекторы, работающие по тому же принципу. Их отличие в том, что для детектирования используется искусственный резервуар со специальной водой. Также благодаря своему расположению данные телескопы используют земные породы в качестве фильтра частиц, избавляющих детекторы от регистрации стороннего (фонового) излучения, вроде космического.
Super-Kamiokande в Токио
Наибольшим подземным нейтринным детектором является Super-Kamiokande, который располагается несколько севернее Токио, в цинковой шахте на глубине 1 км. Детектор представляет собой резервуар диаметром 40 метров и высотой 42 метра, который состоит из нержавеющей стали. Он заполнен 50 000 тонн очищенной воды. На стенах резервуара находятся 11 146 фотоумножителей, высокая чувствительность которых позволяет зарегистрировать даже один квант света. Постройка Super-Kamiokande была завершена в
далеком 1996-м году и с тех пор количество его фотоэлектронных умножителей растет.
Еще один детектор, в разы меньший Super-Kamiokande, расположен около канадского города Садбери в шахте на глубине двух километров — Sudbury Neutrino Observatory. SNO – акриловая сфера диаметром 12 метров и толщиной стенок – 5,5 см, которая заполнена тяжелой водой D2O и покрыта 9 600 фотоумножителями. Сама сфера располагается в резервуаре с чистой водой, во избежание попадания в детектор продуктов распада тория и урана, которые рождаются в горной породе снаружи шахты. SNO не рассчитан на регистрацию нейтрино из дальних уголков космоса, а используется для изучения нейтринного излучения Солнца. Прослужив с 1999-го по 2006-й год, на данный момент детектор завершает процесс переоборудования. Была запланирована замена тяжелой воды
на жидкий линейный алкилбензол, который увеличит чувствительность детектора.
Помимо упомянутых детекторов, основанных на эффекте Вавилова — Черенкова, существует множество иных детекторов, работающих по другому принципу. Зачастую такие детекторы регистрируют нейтрино посредством его взаимодействия с более тяжелыми материалами, чем вода, и предназначены скорее не для наблюдения за Вселенной, а для изучения свойств самих нейтрино.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!