Как под толщей байкальской воды работает один из трёх нейтринных телескопов мира
В конце зимы на льду Байкала появляется необычный город. На многие километры тянутся дороги, стоят вагончики, работают подъёмные краны, люди бурят лунки и
Как под толщей байкальской воды работает один из трёх нейтринных телескопов мира
В конце зимы на льду Байкала появляется необычный город. На многие километры тянутся дороги, стоят вагончики, работают подъёмные краны, люди бурят лунки и опускают в ледяную воду длинные кабели и стеклянные сферы. Это – научный эксперимент, который длится уже десять лет: здесь работает один из самых необычных приборов современной физики – глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD. Это один из трёх телескопов в мире, которые раскрывают тайны Вселенной.
Обычно телескопы стремятся поднять как можно выше – на вершины гор или в космос, чтобы атмосфера не мешала наблюдать за звёздами. Байкальский устроен наоборот. Он смотрит не вверх, а вниз, через всю толщу Земли, скрываясь под водой на глубине более километра. И ищет он вовсе не свет далёких галактик: его цель – частицы, которые невозможно увидеть даже в самый мощный микроскоп. Это нейтрино.
Каждую секунду сквозь наше тело проходят триллионы нейтрино. Они летят от Солнца, рождаются в далёких звёздах, появляются во время взрывов сверхновых, возникают рядом с чёрными дырами. Физики иногда называют их «частицами-призраками», и это довольно точно: поймать нейтрино невероятно трудно – они не оставляют следов, не причиняют вреда и почти никогда не сталкиваются с атомами нашего тела. И всё же иногда происходит почти невероятное: нейтрино всё-таки сталкивается с атомом, и тогда возникает едва заметная вспышка голубого света – черенковское свечение. Именно ради этих редчайших мгновений учёные и строят гигантские нейтринные телескопы.
Зачем ловить неуловимое?
Почти всю информацию, которую человечество получает о космосе, приносит нам электромагнитное излучение: видимый свет, рентгеновское излучение, радиоволны. Именно благодаря ему работают обычные телескопы.
Почему Байкал?
Изучать нейтрино «глазами» - невозможно, но его можно поймать детектором. Однако поскольку взаимодействует с веществом нейтрино очень редко, детектор нужен – огромный. Например, как целое озеро.
На самом деле, не только озеро: на всех трёх нейтринных телескопах, существующих в мире, эту задачу решают по-разному. Телескоп IceCube, построенный американскими учёными в сотрудничестве с международной коллаборацией в 2005-2010 годах, ловит нейтрино во льдах Антарктиды. Европейский, также в международной коллаборации, KM3NeT, родившийся в 2012 году и до сих пор развивающийся, – в водах Средиземного моря. А российские физики выбрали Байкал.
Первый плюс Байкала – его глубина: глубже километра солнечный свет уже не мешает работе сверхчувствительных приборов. Второй – прозрачность: возникающие вспышки света могут распространяться на десятки метров, прежде чем погаснуть. И, наконец, каждую зиму озеро покрывается прочным льдом толщиной около метра, и для учёных это – надёжная стройплощадка: сюда можно подогнать тяжёлую технику, пробурить лунки, установить краны и без помощи судов опустить оборудование на глубину более километра. В море для этого понадобились бы дорогостоящие исследовательские суда и плавучие платформы, а лёд на Байкале – надёжный и бесплатный. Это же позволяет строить телескоп по модульному принципу: почти каждую экспедицию учёные добавляют новое оборудование и постепенно увеличивают рабочий объём установки.
Полвека до открытия
Саму идею регистрации элементарных частиц на огромных черенковских детекторах в естественных прозрачных средах первым высказал ещё в 1960 году советский академик Моисей Марков. В 1979-м другой академик, Александр Чудаков предложил использовать для этого Байкал, и 1 октября 1980 года в Институте ядерных исследований АН СССР родилась лаборатория нейтринной астрофизики высоких энергий под руководством Григория Домогацкого. Именно эта лаборатория стала ядром Байкальской коллаборации, а Григорий Владимирович более 40 лет руководил созданием нейтринного телескопа. Первые советские эксперименты были далеки от нынешних масштабов, но именно тогда учёные проверяли главное: действительно ли байкальская вода подходит для регистрации слабых вспышек черенковского света. Оказалось – подходит.
В начале 1990-х на Байкале создали несколько прототипов, а в 1993 году начали строить первый подводный нейтринный телескоп – NT-200. По современным меркам он был сравнительно небольшим, однако именно он стал доказательством того, что идея работает: в 1994 году NT-200 первым в мире зафиксировал космический нейтрино.
Но чем больше копилось опыта, тем яснее физики понимали: чтобы регистрировать космические нейтрино высокой энергии регулярно, необходим прибор совершенно другого масштаба.
Так родилась концепция Baikal-GVD – Gigaton Volume Detector, или гигантского детектора объёмом порядка кубического километра. Для его создания объединились учёные Института ядерных исследований РАН, Объединённого института ядерных исследований и других научных организаций – сегодня это более 70 учёных и инженеров из 11 научных центров России, Чехии, Словакии и Казахстана.
Участие «атомных» институтов тут неслучайно: многие технологии, без которых невозможно построить глубоководный детектор, выросли именно из опыта, накопленного в ядерной физике. Высокочувствительная электроника, способная работать в сложных условиях, системы регистрации редких событий, сверхточная синхронизация сигналов, обработка огромных массивов данных – всё это хорошо знакомо специалистам, работающим с ядерными установками, ускорителями частиц и исследовательскими реакторами.
Первый модуль Baikal-GVD начал работать в 3,6 км от берега озера в 2016 году. С тех пор практически каждая зимняя экспедиция делает его больше, совершеннее и чувствительнее. Официальная церемония запуска Baikal-GVD состоялась 13 марта 2021 года.
Охота за вспышкой
Эти вспышки и есть следы нейтрино. В тех редких случаях, когда одна из бесчисленных частиц всё-таки сталкивается с атомом воды, рождается целый каскад заряженных частиц, который движется со скоростью выше скорости света: ведь быстрее света ничто не может двигаться лишь в вакууме, а в воде свет распространяется медленнее – так что тут частицы оказываются быстрее. И из-за этого возникает своеобразная ударная волна – но не звуковая, а световая. Это и есть то самое черенковское излучение, хорошо известное атомщикам: так светится вода в бассейнах выдержки отработавшего ядерного топлива или в исследовательских водяных реакторах – как в нашем ИРМ.
Несколько недель в году
Работа на Байкале кипит только зимой. Десятки специалистов из разных научных организаций – физики, инженеры, программисты, конструкторы, водолазы, связисты – готовятся весь год, чтобы зимой приехать сюда на несколько недель. По льду прокладывают временные дороги, разворачивают целый полевой лагерь: вагончики, мастерские, склады оборудования, пункты связи.
Всё это – чтобы опустить телескоп под воду. Во льду прорубают большие майны, через них осторожно опускают в воду многосотметровые струны с оптическими модулями. Нужна ювелирная точность – чтобы тяжёлая конструкция не перекрутилась, не зацепилась за оборудование и заняла строго рассчитанное положение. После погружения струна закрепляется на якоре, а специальные поплавки удерживают её вертикально, несмотря на течение.
Затем оборудование остаётся под водой почти на целый год, непрерывно передавая данные исследователям.
Услышать Вселенную
Недавно данные нейтринных телескопов заставили по-иному посмотреть на нашу собственную галактику. Раньше считалось, что космические частицы сверхвысоких энергий приходят к нам из других галактик – Млечный Путь для мощного излучения казался слишком спокойным. Но телескоп IceCube в 2022 году заметил, а чуть позже Baikal-GVD подтвердил, что наша галактика буквально «фонит» высокоэнергетическими нейтрино. Это все равно что выяснить, что Солнце светит в тысячи раз ярче, чем должно по законам физики!
Как началась эволюция Вселенной? Как формировались химические элементы? Что происходит рядом с чёрными дырами? Как устроены ядра галактик? Что такое тёмная материя? Почему некоторые объекты способны разгонять частицы до энергий, недостижимых даже для крупнейших земных ускорителей? Как изнутри устроено Солнце? Чтобы ответить на эти вопросы, сегодня нейтринные обсерватории работают вместе с традиционными астрономическими инструментами. Космические события одновременно пытаются зарегистрировать в разных диапазонах электромагнитного излучения, с помощью нейтрино и гравитационных волн. Учёные называют такой подход многоканальной астрономией – так человечество учится не только видеть Вселенную глазами, но использовать сразу несколько «органов чувств».
А ещё нейтринный телескоп может работать как «томограф», просвечивая саму Землю: наша планета непрозрачна для света и радиоволн, но прозрачна для нейтрино. Так мы можем судить о структуре и химическом составе земного ядра.
Всё это – фундаментальная наука: главная цель проекта – понять устройство Вселенной. Но при создании телескопа появляются новые технологии подводной связи, высокочувствительные приборов для изучения водных глубин, системы обработки больших массивов данных и прочее, что находит применение и в других областях науки и техники.
Сегодня Baikal-GVD вместе со своими «собратьями» IceCube и KM3NeT входит в Глобальную нейтринную сеть. Есть план построить и супердетектор – проект в акватории Байкала готовят российские учёные с коллегами из Института физики высоких энергий Китайской академии наук. Байкал, Антарктида и Средиземноморье находятся в разных частях света, так что система из трёх телескопов становится «стереоскопической» и может точнее определять направление на источник нейтрино. Зафиксировав интересное событие, астрофизики могут сразу же указать его координаты коллегам на других телескопах, в том числе оптических – и такое «быстрое наведение» позволяет собрать больше информации.
Возможно, именно сейчас где-то в центре далёкой галактики родилась частица, которая через миллионы лет пролетит сквозь пространство и вспыхнет голубым светом в глубине Байкала. И тогда ещё одна загадка Вселенной станет немного ближе к разгадке.
Алиса Мучник, по данным открытых источников
2 views·1 share
2 views
Отзывы
Мы в Телеграм