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.




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».

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.


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.

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».

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».



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».

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.



Телескоп Baikal-GVD способен различать сигналы в объеме, далеко превосходящем его реальные размеры – 0,4 км3, – хотя сами гирлянды занимают во много раз меньше.

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.

«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.


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».


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.



Чувствительный элемент телескопа – оптический модуль.



«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».

«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».

Источник