На главную
Чистейшая вода, мельчайшие частицы: как Байкал стал гигантским инструментом астрофизиков

Первый в мире подводный телескоп, поймавший космические нейтрино Нейтрино — сверхлегкая элементарная частица, не имеет электрического заряда, продукт термоядерного синтеза; практически не взаимодействует с веществом., в последние годы был достроен до крупнейшей в Северном полушарии установки подобного рода. Наращивание мощности системы продолжается, и вскоре она сможет конкурировать с самым масштабным инструментом этого типа в мире — сооруженным в Антарктиде IceCube.

Озеро Байкал примечательно не только своей глубиной, чистотой воды и красивыми видами. Именно здесь находится НТ-200, первый в мире подводный телескоп, уловивший космические нейтрино. Сегодня благодаря адресной поддержке государства этот уникальный объект, задуманный еще в СССР и построенный в 1990-е, превратился в сверхсовременный инструмент-гигант, самый масштабный из установок такого типа в Северном полушарии. Уже в следующем году он может сравняться с нынешним мировым рекордсменом — установкой IceCube.

Космос, полный нейтрино

Нейтрино — это легкая нейтральная частица, которая образуется во многих ядерных реакциях.

Мощный источник этих частиц — термоядерные реакции в недрах звезд. Каждый квадратный сантиметр поверхности Земли ежесекундно пронзают десятки миллиардов нейтрино из центра Солнца. Кроме того, нейтрино рождаются в окрестностях черных дыр и при вспышках сверхновых звезд. Они образуются также при столкновениях космических лучей с атомами воздуха и межзвездного газа. Наконец, считается, что Вселенная заполнена реликтовыми нейтрино, образовавшимися сразу после Большого взрыва Большой взрыв — начало расширения Вселенной; теория, принятая нынешней астрофизикой; переход вещества от состояния сингулярности, то есть невероятной плотности материи, к расширению и охлаждению; произошел примерно 14 млрд лет назад. (в каждом кубическом сантиметре пространства их должно быть несколько сотен). Этот список далеко не полон. Кроме того, не для всех потоков космических нейтрино установлены возможные источники. В 1920-х годах физики обнаружили, что в некоторых процессах радиоактивного распада часть энергии пропадает неизвестно куда. Ученые усомнились в таком фундаментальном законе, как закон сохранения энергии.
В 1930-х годах швейцарский физик В. Паули выдвинул гипотезу, что эту энергию уносит неизвестная частица без электрического заряда.
В 1956 году американские физики К. Коуэн и Ф. Райнес обнаружили эту частицу, получившую название «нейтрино».

Таким образом, изучение нейтрино поможет проникнуть в самые разные тайны Вселенной. Высказывались идеи и о практическом использовании этих частиц, например, для исследования строения Земли и даже поиска полезных ископаемых.

Охотники за частицами

Зарегистрировать нейтрино необычайно трудно, так как они почти никогда не взаимодействуют с веществом, с легкостью пронзая насквозь земной шар. Но если построить очень большой детектор, то подобные события будут происходить достаточно часто для их наблюдения. Задача астрономов — уловить этот сигнал и отделить его от фоновых шумов, неизбежных при любых измерениях.

Первые детекторы космических нейтрино использовали превращение одного химического элемента в другой в результате ядерных реакций, вызванных этими частицами. Однако подобные инструменты не могут работать в реальном времени: чтобы уловить крохи образовавшегося нового элемента, нужна сложная и медленная система очистки.

Поэтому уже в 1970-х годах обсуждались проекты быстрых нейтринных телескопов, основанных на черенковском излучении. Поясним, о чём речь. Когда заряженная частица движется в прозрачной среде (например в воде или во льду) быстрее, чем в этой же среде распространяется свет, она испускает фотоны, то есть частицы света. Это называется эффектом Вавилова — Черенкова Черенковское излучение, эффект Вавилова — Черенкова — свечение, возникающее в прозрачной среде при движении через нее заряженной частицы со скоростью выше, чем фазовая скорость распространения света в этой среде. в честь открывших его наших соотечественников. Сами нейтрино не заряжены. Но когда нейтрино врезается в  протон Протон — одна из составных частей ядра; элементарная частица, состоит из кварков, имеет положительный заряд. атомного ядра, тот превращается в  нейтрон Нейтрон — одна из составных частей ядра; элементарная частица, состоит из кварков, не имеет заряда. и испускает заряженную частицу мюон Мюон — элементарная частица, неустойчивая, в 200 раз более тяжелая, чем электрон; имеет отрицательный заряд и, по всей видимости, не состоит из более мелких элементов. . Двигаясь через воду или лед, последний излучает черенковское свечение. Интенсивность этого света и позволяет измерять поток нейтрино Нейтрино — сверхлегкая элементарная частица, не имеет электрического заряда, продукт термоядерного синтеза; практически не взаимодействует с веществом..

Поскольку нейтрино очень редко сталкиваются с ядрами атомов, объем воды или льда должен быть очень большим. Поэтому астрономы используют природные водоемы.

Первым в мире телескопом такого типа, уловившим космические нейтрино, стал НТ-200. Он был создан на Байкале Институтом ядерных исследований (ИЯИ РАН) в сотрудничестве с другими НИИ и германским исследовательским центром DESY. Ученые выбрали это озеро прежде всего из-за его огромной глубины. Во-первых, она позволяет разместить большой детектор, а во-вторых, на значительных глубинах круглый год царит одна и та же температура (около 4 °C), что обеспечивает стабильную работу аппаратуры. Свою роль сыграла и уникальная прозрачность воды (видимость под водой превышает 20 метров). Кроме того, зимой водоем покрывается толстым надежным льдом, с которого очень удобно опускать в озеро измерительную аппаратуру.

Строительство НТ-200 началось в 1993 году. Уже через год были зарегистрированы первые нейтрино. Сооружение детектора закончилось в 1998 году. На тот момент он содержал около 200 фотодетекторов, отсюда число 200 в названии. Каждый такой датчик спрятан в шар из специального стекла, выдерживающего давление воды. Они закреплены на тросах на глубине более километра в четырех километрах от берега.

Этот телескоп внес огромный вклад в российскую и мировую науку. Так, на нём проверяли гипотезы о природе темной материи — загадочной субстанции, которой во Вселенной в несколько раз больше, чем обычного вещества. Астрономы ясно видят, как темная материя Темная материя, или небарионная темная материя, — вещество, которое не излучает и не поглощает свет, то есть не участвует в электромагнитном взаимодействии, зато участвует во взаимодействии гравитационном — оно-то и помогло уверенней говорить о ее существовании; составляет более четверти массы-энергии Вселенной. проявляет себя своей гравитацией, но пока не могут сказать, из чего же она состоит. Есть предположение, что это массивные частицы. Если такая частица сталкивается со своей античастицей, эта пара взаимно уничтожается, испуская фотоны или другие частицы, в частности нейтрино. Поэтому измерение потока нейтрино позволяет сделать выводы о том, насколько реалистична такая гипотеза о природе темной материи.

Кроме того, с помощью НТ-200 искали магнитный монополь — гипотетическую частицу, которая обладает магнитным зарядом. Открытие такой частицы стало бы переворотом в физике, ведь на сегодняшний день обнаружены только электрические, но не магнитные заряды. Наконец, на НТ-200 изучали астрофизические нейтрино высоких энергий (свыше 10 тераэлектронвольт). По всем трем направлениям были получены одни из лучших в мире результатов.

Телескоп приносит пользу не только астрономам, но и исследователям Байкала. На тросах инструмента закреплены датчики, измеряющие самые разнообразные свойства воды, например характеристики течений. До введения в строй НТ-200 такие данные получались лишь эпизодически, а телескоп обеспечил специалистам постоянный мониторинг природного памятника.

Стройка космического масштаба

Вместе с тем годы наблюдений сделали очевидным, что для получения еще более интересных данных нужно увеличить объем детектора. Поэтому международная научная коллаборация «Байкал» во главе с ИЯИ РАН и Объединенным институтом ядерных исследований приступила к реализации проекта Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector).

Этот телескоп будет состоять из десяти кластеров. Каждый кластер содержит восемь вертикальных гирлянд (тросов, на которых подвешены фотодетекторы) по 36 фотодетекторов в каждой. Всего получается 288 фотодетекторов в кластере и 2880 во всём телескопе.

Наращивание мощности байкальского телескопа началось в 2011 году. В 2015 году был запущен демонстрационный кластер установки. В апреле 2019-го в строй вступили еще два кластера. Сейчас работает пять кластеров. Когда будут запущены еще пять, телескоп будет охватывать целый кубический километр воды.

Такой объем поставит устройство в один ряд с крупнейшим в мире нейтринным телескопом IceCube. Он работает с 2011 года и использует кубический километр антарктического льда. Однако реальная работа детектора характеризуется не номинальным, а эффективным объемом (он получается из номинального умножением на специальный коэффициент, который всегда меньше единицы). Эффективный объем IceCube для его основных задач составляет 0,4 км3. У байкальского же телескопа уже сейчас эффективный объем равен 0,25 км3.

«Если темп монтажных и наладочных работ сохранится и погода будет такая же благоприятная, как в прошлом и позапрошлом году, — а тогда был очень хороший лед на Байкале, — этой зимой мы можем прибавить еще 0,1 км3 [эффективного объема]», — делится планами член- корреспондент РАН Григорий Владимирович Домогацкий, заведующий Лабораторией нейтринной астрофизики высоких энергий ИЯИ РАН.

Таким образом, эффективный объем российского телескопа достигнет 0,35 км3, что почти равно 0,4 км3 у его аналога из Антарктиды. Когда же будут установлены все десять кластеров, характеристики телескопа станут еще более внушительными.

Baikal-GVD на данный момент оставляет далеко позади европейскую установку KM3NeT, которая сооружается в Средиземном море. Как сообщает Домогацкий, у европейских берегов пока поставлено лишь четыре гирлянды фотодетекторов, и в ближайшие месяцы планируется установить еще две. В то же время каждый из пяти работающих кластеров байкальского телескопа содержит восемь аналогичных гирлянд.

«Мы с ними (командой KM3NeT. — Прим. ред.) очень хорошо и плотно взаимодействуем, мы всё знаем о них, они всё знают о нас», — подчеркивает ученый.

1 из 4
Монтаж гирлянды оптических модулей
Посеять, чтобы пожать

Максим Николаевич Сороковиков — 26-летний аспирант кафедры физического факультета Иркутского государственного университета, одного из опорных университетов России, участвующего в формировании сети национальных лидеров высшего образования в рамках федерального проекта «Молодые профессионалы». Часть преподавателей факультета являются также сотрудниками НИИ прикладной физики, который входит в байкальскую коллаборацию. Так молодой человек узнал о телескопе и принял решение связать с ним свою научную деятельность.

«Работа в коллаборации „Байкал“ — это работа в эксперименте, уникальном для России и мира в целом», — подчеркивает специалист.

Максим занимается исследованием мультикластерных событий. Они происходят, когда мюон, порожденный столкновением нейтрино и ядра, проходит такое большое расстояние, что излучаемый им свет фиксируется сразу несколькими кластерами телескопа.

«Работа в эксперименте Baikal-GVD интересная, увлекательная и разнообразная. Мне нравится здесь работать. Стоит отметить дружный и сплоченный коллектив, состоящий из опытных физиков и инженеров, а также молодых сотрудников, которые начинают свою научную карьеру в коллаборации „Байкал“», — рассказывает Максим.

Работа в коллаборации «Байкал» — это работа в эксперименте, уникальном для России и мира в целом

Свою будущую карьеру молодой ученый уверенно связывает с байкальским телескопом.

«Телескопы, подобные нашему, призваны работать десятилетиями. И люди, под стать детектору, если взялись за дело, должны доводить его до конца», — уверен Максим.

Коллеге вторит Александр Дмитриевич Аврорин, младший научный сотрудник ИЯИ РАН. В 2012 году он окончил МИФИ и поступил в аспирантуру ИЯИ. С тех пор вся его научная деятельность связана с проектом Baikal-GVD.

«Для меня в первую очередь важно то, что мы занимаемся настоящей, беспримесной наукой. Мы делаем то, чего никто раньше не делал, чтобы увидеть то, чего никто раньше не видел. Нейтринная астрономия позволяет буквально расширить границы наблюдаемой Вселенной. Это стоит многого», — отмечает исследователь.

Аврорин совместно с коллегами восстанавливает траектории мюонов, которые рождаются при взаимодействии нейтрино с водой Байкала. С байкальским телескопом он связывает свое научное будущее.

«Мои коллеги и я вложили неординарные усилия в создание эксперимента мирового уровня. Конечно, мы хотим пожать плоды нашей работы», — говорит Александр.

1 из 2
Вместе со всем миром

Baikal-GVD, как и IceCube, предназначен прежде всего для регистрации частиц высоких энергий. Причина прежде всего в том, что к космическим нейтрино примешиваются частицы, рожденные в верхних слоях атмосферы Земли. Только для нейтрино с энергиями в несколько десятков тераэлектронвольт Электронвольт — чуть больше, чем 10 в минус 19-й степени джоулей; внесистемная единица энергии, используется в ядерной физике и смежных науках. можно достоверно выделить потоки частиц, пришедшие с просторов Вселенной, из этого фона.

За семь лет работы IceCube зафиксировал более 70 космических нейтринных вспышек. Их природа пока загадочна. Разгадывать эту загадку ученым предстоит вместе, сопоставляя данные разных телескопов.

Baikal-GVD, IceCube и KM3NeT составляют консорциум «Глобальная нейтринная обсерватория» (Global Neutrino Observatory). Его цель — объединить данные трех крупнейших на Земле нейтринных телескопов для еще более эффективного изучения Вселенной. Благодаря тому, что они географически весьма удалены друг от друга (Байкал, Антарктида и Средиземное море), такое сотрудничество поможет точнее определить направление на небе, где произошло событие, вызвавшее необычно мощный поток нейтрино. Все три телескопа работают в реальном времени, поэтому астрономы смогут оперативно указать координаты своим коллегам по всему миру, работающим с оптическими, радио- и другими телескопами. Такая мощная международная кооперация позволит собрать как можно больше информации о космической катастрофе.

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.

Baikal-GVD благодаря своему географическому положению обладает важным преимуществом. Три четверти суток он обозревает центр и плоскость галактики, где расположены ближайшие к Земле черные дыры, остатки сверхновых и другие объекты, потенциально являющиеся источниками нейтрино. Сотрудничество же между тремя нейтринными телескопами помогает круглые сутки наблюдать всю небесную сферу.

Объекты такого масштаба, как Baikal-GVD, относятся к классу «мегасайенс». Это уникальные установки, позволяющие получать не имеющие аналогов результаты. Во всём мире подобные проекты становятся объектом интенсивного международного сотрудничества и привлекают молодых ученых.

Чтобы привлечь молодые кадры, сотрудники проекта читают лекции на физическом факультете МГУ имени М. В. Ломоносова. Также у ИЯИ РАН имеется базовая кафедра в Московском физико-техническом институте.

Сегодня создание установок масштаба Baikal-GVD стало объектом целевой поддержки со стороны государства. Строительство одного из трех крупнейших в мире нейтринных телескопов, безусловно, подтвердит статус России как ведущей научной державы.