издательская группа
Восточно-Сибирская правда

Нейтринный лов

На Байкале запущен крупнейший в Северном полушарии подводный нейтринный телескоп

Самый мощный в Северном полушарии подводный нейтринный телескоп официально запущен на Байкале 13 марта. Объём «сети», с помощью которой на нём «ловят» загадочные элементарные частицы изо всех уголков Вселенной, достигает 0,4 кубокилометра, за детекцию отвечают 2304 сверхчувствительных оптических модуля. С помощью телескопа учёные смогут приоткрыть завесу тайны над процессами, происходящими не только далеко за пределами Солнечной системы и Млечного пути, но и в недрах Земли и окрестностях Байкала.

Бензопила на санном «шасси» вгрызается в прозрачный лёд с рёвом, заглушающим даже самые громкие реплики окружающих. Привычный инструмент, который как почётному гостю доверили министру науки и высшей школы России Валерию Фалькову, служит высокой исследовательской цели – развёртыванию Байкальского нейтринного телескопа. Конечно, министр выпиливает майну – квадратную полынью – в показательных целях. Но то же самое участники научной экспедиции проделывали перед тем, как опустить на глубину гирлянду с оптическими модулями, которые и «ловят» нейтрино – фундаментальные частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействии.

Вода ценнее льда

«Кажется, будто мы находимся на полярной станции посреди большого белого ничто», – замечает кто-то из коллег. Сравнение кажется абсолютно точным – крупнейшая в мире нейтринная обсерватория Ice Cube расположена на антарктической станции «Амундсен-Скотт» на Южном полюсе. Байкальский телескоп, на котором заканчивают монтировать восьмой кластер из восьми гирлянд, в свою очередь, стал самым мощным в Северном полушарии Земли. «По некоторому кругу задач в этом году мы сравняемся с «Айс Кьюбом», – сообщает директор Института ядерных исследований РАН Максим Либанов. А в чём-то Байкальский нейтринный телескоп уже сейчас превосходит зарубежную установку. Хотя бы в том отношении, что погружённое в воду оборудование можно ремонтировать или модернизировать, а в антарктический лёд аппаратуру вморозили раз и навсегда. Свою положительную роль играет и прозрачность Байкала: фотоны в нём «пробегают» в среднем двадцать метров, тогда как во льдах Южного полюса – только четыре. Не удивительно, что именно здесь в 1996 году появился первый работающий подводный нейтринный телескоп.

Идею о том, что для «поимки» трудноуловимых элементарных частиц, которые чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом, нужна огромная «сеть», ещё в 1960-м высказал член-корреспондент Академии наук СССР Моисей Марков, в то время работавший в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне. Предложение заключалось в том, чтобы найти детектор с огромным прозрачным «рабочим телом», в качестве которого можно использовать воду или лёд. На этой технологии базировался так и не реализованный в полной мере проект DUMAND – Deep Underwater Muon And Neutrino Detector, то есть глубоководный детектор мюонов и нейтрино, зародившийся в семидесятых годах прошлого века. Американские и советские физики, работавшие над ним, предлагали смонтировать у берегов Гавайских островов сеть из 22,6 тысячи оптических модулей, объём которой составил бы 1,26 кубического километра. Но все перспективы международного сотрудничества на корню уничтожила афганская война: в 1980 году все контакты между учёными были свёрнуты в принудительном порядке.

Это обстоятельство отчасти подтолкнуло Александра Чудакова из Института ядерных исследований к предложению развернуть нейтринный телескоп на Байкале. «Это единственное озеро на планете, где можно сделать такое, – объясняет сегодня старший научный сотрудник лаборатории ядерных проблем имени В.П. Джелепова Объединённого института ядерных проблем Баир Шойбонов. – Глубина – это очень важное условие. Пресная вода – ещё одно. Плюс прозрачность воды, которая имеет большое значение. И то, что два или даже два с половиной месяца держится такой ледовый покров, очень важно для развёртывания оборудования. Наши коллеги в Средиземноморье не имеют такой возможности – ходить по твёрдой поверхности, поэтому используют дорогостоящие суда с автоматическими подводными аппаратами, которые монтируют кабель на дне. Мы это делаем на льду, поэтому развёртывание удешевляется». Телескоп ANTARES к тому же находится в 40 км от Тулона, тогда как от площадки с кластерами Байкальского нейтринного телескопа до берегового центра, расположенного на остановочном пункте «106-й километр» КБЖД, – всего четыре километра. За счёт этого значительно различается и сечение силовых кабелей, что также влияет на стоимость проекта. Но, поскольку фундаментальная наука интернациональна и работает во благо всего человечества, а не отдельных государств, установки в разных уголках планеты действуют как единая сеть во имя одной цели – изучения основ Вселенной.

Первые эксперименты на Байкале начали проводить ещё в восьмидесятых, а в 1993-м приступили к строительству нейтронного телескопа НТ-200, который должен был состоять из 200 оптических модулей и регистрировать частицы сверхвысоких энергий. В урезанной версии из 96 модулей на четырёх гирляндах установка заработала в 1996 году и практически сразу зафиксировала первые нейтринные события. Впоследствии её расширили до 192 фотодетекторов на восьми струнах. А в 2015 году началось строительство нейтринного телескопа второго поколения Baikal-GVD – это масштабный международный проект, который объединяет научные организации из пяти стран. Россию представляют Институт ядерных исследований РАН, Объединённый институт ядерных исследований, Иркутский государственный университет, Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ, Национальный исследовательский Нижегородский университет имени Н.И. Лобачевского и Санкт-Петербургский государственный морской технический университет. В проекте участвуют Институт экспериментальной и прикладной физики Чешского технического университета в Праге, Университет имени Коменского в Братиславе в Словакии, Институт ядерной физики Польской академии наук и компания Evo Logics из Германии. «Франция и Казахстан думают, как подключиться», – отмечает Либанов.

Сферический в вакууме

Со стороны нейтринный телескоп выглядит как группка вагончиков на салазках и непривычного вида лебёдок со стрелами, которые разбросаны на льду Байкала, покрытому плотно укатанным ветром снегом. «Дорожная мастерская», – гласит надпись на оранжевом кунге, словно снятом с грузовика-«вахтовки». Внутри – штаб экспедиции, которая с февраля по апрель ежегодно работает на льду Байкала, устанавливая новое оборудование и при необходимости ремонтирующая уже смонтированную аппаратуру. Многочисленные ящики с оборудованием, выкрашенные киноварью, яркими пятнами выделяются на невероятно белом снегу.

Весь набор высокочувствительной техники могут увидеть разве что сами учёные, но специально для журналистов и высоких гостей на всеобщее обозрение выставлен оптический модуль – прозрачный шар диаметром 17 дюймов (или 41,18 см), в котором находится фотоумножитель в окружении электроники и другой аппаратуры. Сфера из толстого прочного стекла, способного выдержать давление в 100 атмосфер, заполнена оптическим гелем. «Если его не залить, образуется слой воздуха, что отрицательно влияет на светосбор», – рассказывает Баир Шойбонов. По той же причине фотоумножитель защищён от воздействия магнитного поля Земли. «Это вакуумный прибор, – продолжает Шойбонов. – В вакууме под воздействием света образуются электроны, которые ускоряет электрическое поле внутри фотоумножителя. Если не будет экрана, то электроны могут отклоняться в разные стороны под воздействием магнитных полей, и это опять же ухудшает светосбор».

Модули погружают на глубины более 600 метров, которых не достигает солнечный свет: только так можно без помех улавливать частицы, непосредственно интересующие учёных. И то нейтрино, особенно астрофизические, ещё нужно выделить в общем потоке, отделив от множества «шумов». Старший инженер лаборатории ядерных проблем имени В.П. Джелепова Объединённого института ядерных проблем Максим Круглов демонстрирует схему, по которой гирлянды с аппаратурой монтировали в 2021 году. «В журналах за предыдущие годы другая конфигурация, – говорит он. – Потому что мы каждый раз оптимизируем схему монтажа, чтобы, к примеру, использовать кабели одной длины. Чем они разнообразнее, тем тяжелее монтаж и ремонт, стандартизация, напротив, облегчает работу». Неизменно одно – на каждой гирлянде висит по 36 оптических модулей. Они сгруппированы по 12 штук, данные от каждой такой пачки собирает отдельный системный модуль. Информация из него, в свою очередь, поступает в единый модуль гирлянды, который производит первичную обработку цифр и передаёт их дальше.

Длина гирлянды, если брать конфигурацию 2021 года, составляет 1365 метров от поверхности льда до самого дна Байкала. Струна с оптическими модулями должна стоять строго вертикально, так что на дне её удерживает увесистый якорь, а наверх тянет буй, плавающий на глубине 25 м. Первый оптический модуль находится в 620 м от поверхности льда, последний – в 1145 м. Они собирают данные круглый год. Местоположение каждой гирлянды фиксируют с помощью высокоточного приёмника глобальной навигационной системы, работающей со всеми действующими спутниками: американскими GPS, российскими ГЛОНАСС, европейскими Galileo и китайскими BD. Погрешность – в пределах двух сантиметров, так что при необходимости оборудование спокойно находят и меняют или ремонтируют, привлекая водолазов. К слову, оптические модули собирают в Дубне и доставляют на Байкал уже в готовом виде.

Гирлянды с ними объединены в кластеры. Каждый кластер состоит из восьми струн: одна расположена в центре окружности радиусом 60 м, остальные семь равноудалены от неё. Такой «зонтик», на котором установлены 288 оптических модулей, захватывает 0,05 кубокилометра воды. Так что с завершением установки восьмого кластера нейтринный телескоп Baikal-GVD, официально запущенный 13 марта, достиг мощности 0,4 кубических километра – он самый большой в Северном полушарии. При номинале в 1 кубокилометр такова же эффективность установки Ice Cube при регистрации каскадных нейтринных событий, ограниченная значительным слоем пыли в глубинах антарктического льда.

Путь к человеческому счастью

Завершить установку последней гирлянды восьмого кластера доверили Фалькову и губернатору Иркутской области Игорю Кобзеву. Глава Минобрнауки осторожно берётся за рычаги лебёдки, внимательно прислушиваясь к указаниям специалистов. Оптический модуль со связкой оранжевых кабелей медленно погружается в воду, тёмную на фоне снега, под щелчки десятка фотокамер, сквозь которые изредка пробиваются зычные короткие команды: «Майна! Стоп! Майна!» Через минуту или полторы федеральный министр уступает место за пультом губернатору, чтобы тот завершил начатое и погрузил модуль на требуемую глубину. Следующий пункт программы – подписание меморандума о совместном развитии проекта Baikal-GVD между Минобрнауки и Объединённым институтом ядерных исследований.

«Мы рассчитываем, что наши коллеги внесут вклад в изучение Вселенной и её истории, – комментирует Фальков перспективы дальнейшего развёртывания телескопа. – Это очень важно. Кроме того, наука является одним из драйверов развития территории. Мы знаем о проблеме, которая состоит в том, что молодёжь в качестве места жительства выбирает крупные агломерации и стремится учиться в столичных университетах. Что необходимо, чтобы молодёжь оставалась в регионе? Необходимо развивать университеты, заниматься крупными научными проектами на иркутской земле». Директор Объединённого института ядерных исследований Григорий Трубников, родившийся в Братске, считает, что Байкальский нейтринный телескоп должен стать прорывным проектом, который может быть локомотивом развития науки, а за ним потянутся проекты других научных институтов и академических университетов. Губернатор Иркутской области в связи с этим вспомнил программу создания в России научно-образовательных центров международного уровня. Заявка региона на участие в ней, подготовленная ещё предыдущей областной администрацией, в ноябре прошлого года не прошла конкурсный отбор – попытка объять необъятное, выдав лозунг «Земля. Человек. Вселенная» в качестве направлений деятельности центра, не удалась. «Мы тогда формируем заявку, формируем подходы, – сообщает Кобзев. – Конкретизируем всё, что нужно и региону, и научно-образовательному региону». «Поскольку это конкурсный отбор, я молчу», – шутит по этому поводу Фальков.

Трубников тем временем возвращается к вопросу о самом телескопе и задачах, которые можно решить с его помощью. «Чем вообще занимается наука? – философски замечает он. – Счастьем человеческим. Наука должна не только давать знания людям, но и помогать обрести более качественную жизнь. И здесь инструмент, который становится самым крупным в Северном полушарии нейтринным телескопом, решает несколько задач. Прежде всего, это изучение тайн Вселенной, вопросов возникновения новых галактик и экзотических космических объектов. Здесь мы видим не только сверхэнергетичные частицы из далёких уголков Вселенной, но и геонейтрино, которые рождаются в результате ядерных реакций в ядре Земли. Мы их тоже регистрируем и по ним судим о строении земной коры. Прикладной эффект, который даёт этот телескоп, – это данные, говорящие об экологической обстановке и строении земной коры в окрестностях Байкала».

Возвести в кубическую степень

Монтаж и наладку всего оборудования восьмого кластера установки Baikal-GVT завершат до конца марта. В апреле учёные начнут экспериментальный набор данных. При этом работа строящегося телескопа уже дала плоды. «По статистике, с 2016-го по 2020 год у нас есть шесть нейтринных событий [с энергией] больше 100 петаэлектронвольт», – рассказывает учёный секретарь, старший научный сотрудник лаборатории нейтринной астрофизики высоких энергий Института ядерных исследований РАН Жан-Арыс Джилкибаев. После обработки и отсева «шума» данные о них будут доступны учёным со всего мира. «Когда телескоп выйдет на полную мощность, мы будем регистрировать около 30 событий в год, – добавляет Либанов. – Это очень много: тот же «Айс Кьюб» работает с 2010 года и за десять лет зарегистрировал примерно 100 событий такого же порядка».

В ближайшие несколько лет Байкальский нейтринный телескоп расширят до 11 кластеров. Более амбициозный план, рассчитанный до 2030 года, предполагает, что их количество доведут до 22. В этом случае объём телескопа достигнет 1,1 кубокилометра, будет установлено 6336 оптических модулей. При условии, что будет обеспечено должное финансирование проекта.

Читайте также

Подпишитесь на свежие новости

Мнение
Проекты и партнеры
  все
Свежий номер
Важное
Adblock
detector