Подледная рыбалка: байкальская ловля нейтрино
Наука Физика 05.11.2021, 12:00 Подледная рыбалка: байкальская ловля нейтрино В темные воды самого глубокого озера на Земле физики осторожно опускают великанские бусы. Они вытягиваются на расстояние более километра – даже Останкинская башня смотрелась бы карликовой на фоне этих плавучих конструкций. На берег уходят толстые кабели: нейтринная обсерватория ведет охоту за самыми неуловимыми частицами во Вселенной, рожденными в далеких космических ускорителях.
Роман Фишман редакция Тэги: Нетленка Физика Телескоп Космический телескоп Элементарные частицы
Десятки миллионов лет назад через Сибирь пролегла глубокая рифтовая трещина. С тех пор разлом медленно увеличивался, протянувшись на полторы тысячи километров, а в центральном участке заполнился чистой водой и стал самым объемным пресным резервуаром на Земле. «Байкал уникален еще и тем, что его температура начиная с глубины 250 м почти не меняется, а на уровне расположения гирлянд (от 750 до 1250 м) постоянна. Кроме того, примерно с 150 м пресная вода сохраняет один и тот же коэффициент преломления и потому идеальна для оптических наблюдений», – рассказывает академик РАН Григорий Трубников. Возглавляемый им Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) – один из организаторов строительства на Байкале нового глубоководного нейтринного телескопа. Один из его кластеров так и называется – «Дубна».
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Неуловимые частицы
Нейтрино – родственники электронов (а также мюонов и тау-мезонов), практически лишенные массы и не несущие никакого заряда. Поэтому Вселенная для них прозрачна: мы не замечаем, как мириады нейтрино ежесекундно проходят сквозь наше тело. Даже в заполненном свинцом объеме их свободный пробег достигает сотни световых лет, а в глубоком вакууме космоса – многих миллионов. Эти частицы появляются в недрах Солнца, в окрестностях сверхмассивных черных дыр, рождаются во вспышках сверхновых и могут многое рассказать о происходящем там. Однако «выслушать» их нелегко.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Нейтрино проходят сквозь любую мишень, какую только можно придумать для улавливания этих частиц. Приходится брать количеством, надеясь, что в детекторе достаточно большого объема нейтрино хотя бы изредка будут сталкиваться «лоб в лоб» с ядрами атомов. При таких столкновениях возникают новые частицы, которые некоторое время движутся в воде быстрее света, создавая излучение Вавилова – Черенкова. Если среда прозрачна, эти вспышки можно увидеть невооруженным глазом и зарегистрировать точными фотодатчиками.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Так работают любые детекторы частиц – реагируя на вспышки, вызываемые ими в сцинтилляторе или другой мишени. Баксанская нейтринная обсерватория использует для этого 3000 м3 специальной жидкости, а японский детектор Super-Kamiokande – 50 тыс. м3 дистиллированной воды, прошедшей особо глубокую очистку. Но в принципе для этих целей подходит и обычная природная среда ледников и водоемов. Еще в 1960 году академик Марков предложил возводить детекторы нейтрино в озерах и даже морях, «чтобы определять направление заряженных частиц с помощью черенковского излучения».
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Сегодня плавучие детекторы нейтрино работают в Средиземном море, а самый большой устроен прямо в прозрачном льду Антарктиды. Детекторы IceCube, опущенные на глубину, регистрируют вспышки в объеме целого кубического километра. «Этот лед обладает замечательной прозрачностью. Прежде чем свет будет поглощен, он может пройти по нему и сотню метров, – объясняет член-корреспондент РАН и координатор проекта Baikal-GVD Григорий Домогацкий. – Однако вплоть до 1400 м глубины он заполнен мелкими пузырьками воздуха. Свет очень быстро рассеивается на них, за пару метров, и вся детальная информация о вспышках пропадает. На больших глубинах масса льда сдавливает эти пузырьки, однако сплющенные каверны от них сохраняются, и рассеяние остается большой проблемой».
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Баир Шайбонов, Лаборатория ядерных проблем им. Джелепова, ОИЯИ Телескоп: 8 кластеров, или 64 гирлянды на 288 оптических модулей. Кластер: блок из 8 гирлянд на расстоянии 60 м друг от друга с центральным модулем на глубине 30 м (питание, связь и т.п.). Гирлянда: трос (стринг) с 36 оптическими модулями, подвешенными на глубине от 750 до 1275 м с шагом 15 м.
А вот в прозрачной байкальской воде рассеяние происходит не так быстро, на дистанциях в 30–50 м. Поэтому телескоп Baikal-GVD способен различать сигналы в объеме, далеко превосходящем его реальные размеры. «Эффективный объем IceCube, в котором он может выделять нужные события, совпадает с геометрическим, даже несколько меньше, – говорит Домогацкий. – У нас же они заметно различаются: сегодня Baikal-GVD включает восемь кластеров общим объемом 0,05 км3, в то время как эффективный объем достигает 0,4 км3. В нем мы можем регистрировать события от нейтрино высоких энергий, появление ливней заряженных частиц».
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Загадочные нейтрино
До недавнего времени ученые обнаруживали нейтрино за пределами Земли только от Солнца и от сверхновых — например, в Большом Магеллановом облаке в 1987 году. Никаких нейтрино из далеких космических источников замечено не было.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Но в апреле 2012 года нейтринный телескоп IceCube зарегистрировал два нейтрино с чрезвычайно высокими энергиями — почти в миллиард раз превышающими те, что были обнаружены в 1987 году, — которые могли исходить только из источника высокой энергии за пределами Солнечной системы. После более глубокого изучения данных ученые обнаружили в общей сложности 28 высокоэнергетических нейтрино с энергиями, превышающими 30 тераэлектронвольт (ТэВ). Изучение этих частиц и их источников позволит астрономам раскрыть самые волнующие загадки Вселенной.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Великанские бусы
Ловлей нейтрино на Байкале Григорий Владимирович и его коллеги из Института ядерных исследований РАН занимаются уже больше 30 лет. По словам ученого, даже совпадение его инициалов с названием проекта Baikal-GVD не столько случайность, сколько «мелкое хулиганство сотрудников». Первый нейтринный телескоп НТ-200 появился на озере еще в начале 1990-х и был на пределе финансовых и организационных возможностей того времени. Он объединял 192 детектора, нанизанных, как бусины, на вертикальные тросы, которые уходили на глубину более километра. Свет с поверхности сюда не доходит, и любая случайная вспышка может быть уликой, указывающей на появление всепроникающих нейтрино.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Телескоп Baikal-GVD способен различать сигналы в объеме, далеко превосходящем его реальные размеры – 0,4 км3, – хотя сами гирлянды занимают во много раз меньше. РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Каждая такая «бусина» размером с баскетбольный мяч защищена круглым прозрачным корпусом, выдерживающим давление воды вплоть до глубины в несколько километров. Находящийся внутри фотоэлемент преобразует излучение в электрический сигнал, который по геокабелю передается на берег. Сам фотоэлемент ориентирован вниз, чтобы опускающаяся с поверхности озера органика не оседала на прозрачной оболочке и не вызывала ее обрастание. Но при этом установка регистрирует частицы, прилетающие со всех сторон.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
«Из опыта НТ-200 было понятно, что строительство подобного детектора – дело небыстрое и запускать его лучше постепенно, – говорит Григорий Домогацкий. – Кроме того, вести работы можно лишь в ограниченный период времени, пока на Байкале держится толстый лед. Обычно это 40–50 дней, с середины февраля по начало апреля, после чего нужно эвакуироваться на берег. Поэтому с самого начала проектирования в 2000-х годах мы задумывали Baikal-GVD как совокупность отдельных автономных кластеров. За сезон мы сейчас успеваем поставить два».
Каждый такой кластер включает в себя центральную гирлянду и еще семь, расположенных по кругу на расстоянии 60 м и связанных гибкими перемычками. Конструкция фиксируется якорем весом почти в тонну и поднимается к поверхности за счет собственной плавучести, вытягиваясь с более чем километровой глубины. При этом расположенные по всей длине акустические датчики отслеживают положение фотоэлементов с точностью до 10 см. С 2015 года на Baikal-GVD развернуто уже восемь кластеров, и фактически каждый из них – независимый нейтринный телескоп с собственными кабелями для питания и передачи данных.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Баир Шайбонов, Лаборатория ядерных проблем им. Джелепова, ОИЯИ
«В 2014-м, когда ОИЯИ стал полноправным соучредителем проекта, к нему удалось привлечь международную коллаборацию: Польшу, Германию, Чехию, Словакию, – добавляет академик Трубников. – Поэтому кластеры носят имена городов стран-участниц: "Дубна", "Прага", "Краков", "Братислава" и т.д.». «Baikal-GVD получился в несколько раз дешевле IceCube (3 млрд руб. против 300 млн долл.) и аналогов, работающих в море, – добавляет Григорий Домогацкий. – Причина в том, что для IceCube понадобилось работать в Антарктиде, бурить там лед, а в море нужно использовать сложнейшую и дорогостоящую плавучую технику для установки. Мы же строим в зимние месяцы прямо со льда, оставаясь в пределах транспортной доступности. А наблюдения ведем круглый год и уже набираем неплохую статистику».
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Космические ускорители
Чаще всего Baikal-GVD регистрирует черенковское излучение от каскадных событий – ливней заряженных частиц, рожденных ударами нейтрино. Как правило, эти вытянутые вспышки связаны с нейтрино, которые появились в земной атмосфере под влиянием космического излучения. Однако изредка темноту байкальской воды прочерчивают узкие длинные линии – треки быстрых мюонов. Такие частицы могут создавать лишь нейтрино с энергиями в тысячи раз большими, чем атмосферные или солнечные, – те, что прилетели из далеких глубин Вселенной. Этот след замечают сразу десятки фотоумножителей.
«Обычно мы устанавливаем порог в 20–25 датчиков, – объясняет Григорий Домогацкий. – Но были и события, на которые среагировали сразу 40 штук». Такой обзор позволяет определить траекторию с высоким угловым разрешением, вплоть до долей градуса, и связать приход нейтрино с тем или иным источником в космосе. Эта работа – часть невероятно актуальной концепции мультиканальных астрономических наблюдений, которая пробует совмещать данные, полученные от совершенно разных инструментов. Весь спектр электромагнитного излучения, от радиоволн до гамма-лучей, плюс гравитационное, плюс нейтринное: объединив их, можно получить гораздо более полную информацию об объекте.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Чувствительный элемент телескопа – оптический модуль. РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
«Не так давно на китайской обсерватории LHAASO обнаружили фотоны с гигантскими энергиями, порядка петаэлектронвольт, – говорит Домогацкий. – Они указали на 12 возможных "певатронов", находящихся где-то в пределах Млечного Пути. Эти гипотетические объекты – возможно, черные дыры, сверхновые или нейтронные звезды – способны ускорять частицы до огромных энергий. Было бы интересно рассмотреть их нашим телескопом. Само присутствие нейтрино многое скажет о происходящем в "певатронах": эти частицы рождаются далеко не во всех процессах».
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
«Энергии некоторых космических частиц достигают величин, недоступных ни одному современному ускорителю», – поясняет Трубников. В самом деле, иногда с огромного расстояния к нам прилетают частицы с энергиями в миллионы, а то и миллиарды раз большими, чем способен создать даже Большой адронный коллайдер. «Крайне интересно понять, какой градиент энергии создает подобное ускорение и как именно, – продолжает академик. – Если мы это выясним, то, вероятно, сможем повторить, создав более мощные коллайдеры. А если найдем ответы на вопросы, которые пока не вписываются в рамки стандартной модели физики частиц, будет еще интереснее».
Григорий Трубников Доктор физико-математических наук, академик РАН, директор Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) «Если мы поймаем корреляцию между сейсмической активностью и нейтрино, то сможем мониторить недра Земли. Поэтому байкальский телескоп востребован у геофизиков, на нем работают группы из Иркутского отделения СО РАН. Интересует он даже лимнологов. Дело в том, что качество регистрируемых вспышек во многом определяется свойствами воды, а они, в свою очередь, меняются в зависимости от экологической обстановки. Тут важен даже обычно «мусорный» шумовой сигнал, по характеру которого можно выяснить прозрачность воды, отслеживать размножение планктона и т.д. Телескоп может работать еще и как круглогодичная станция биосферного мониторинга». РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Как работают нейтринные телескопы?
Идея детекторов нейтрино восходит к 1950-м годам, когда Клайд Коуэн и Фредерик Рейнс впервые обнаружили нейтрино в ядерном реакторе. Позже ученые обнаружили солнечные нейтрино и атмосферные нейтрино.
Поскольку нейтрино так слабо взаимодействуют с другими частицами, для их обнаружения требуется очень большое количество вещества. Когда нейтрино сталкиваются с протонами или нейтронами внутри атома, они производят вторичные частицы, которые испускают синий свет, называемый излучением Черенкова. Для фиксации таких событий столкновения вам нужен большой прозрачный детектор, защищенный от дневного света, поэтому ученые строят их глубоко под водой или вмуровывают в лед.
Проект Глубоководного детектора мюонов и нейтрино (DUMAND) расположен в Тихом океане недалеко от острова Гавайи. Обсерватория простиралась бы почти на кубический километр океана и более чем на 5 км в глубину. Начатый в 1976 году, но отмененный в 1995 году, DUMAND проложил путь для последующих проектов.
Ученые построили Антарктическую решетку детекторов мюонов и нейтрино (AMANDA) во льду под Южным полюсом, которая в конечном итоге стала частью обсерватории IceCube. IceCube, строительство которого было завершено в 2010 году, состоит из сетки датчиков размером в кубический километр, встроенных под толщей льда в 1500 м.
В Европе ученые разрабатывают планы создания сети KM3NeT, которая будет охватывать пять кубических километров в Средиземном море. А ученые Байкальского нейтринного телескопа в российском озере Байкал, крупнейшем по объему пресноводном озере в мире, планируют построить детектор GVD объемом в один кубический километр.