13 марта 2021 года состоялась официальная церемония запуска нейтринного телескопа Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector). Это крупнейшая подобная установка в Северном полушарии и одна из самых больших в мире (конкуренцию ей может составить только инструмент IceCube, сооруженный в Антарктиде).
Никаких преград
За секунду, которую вы потратили на чтение слова «нейтрино», каждый квадратный сантиметр вашего тела пронзили десятки миллиардов этих частиц, рожденных в центре Солнца. К ним добавились нейтрино, образовавшиеся в верхних слоях атмосферы, в недрах планеты, в ядерных реакторах, а возможно, даже в окрестностях черных дыр. Не забудем еще о реликтовых нейтрино, странствующих в космосе со времен Большого взрыва. И даже это не полный перечень.
Вы не заметили нейтрино, и они вас тоже. Эти легчайшие частицы, не имеющие электрического заряда, без всяких видимых последствий пронзают не только человеческие тела, но и целые планеты и звезды.
Полеты во сне и наяву: как Юрий Мильнер покорил интернет и инвестиции и начал осваивать космос
Именно поэтому они так интересуют ученых. Нейтрино, проницающие громадные толщи вещества словно пустое пространство — зачастую единственный сигнал из недоступных «запретных зон», откуда ничто другое не вырывается неизменным (читай невредимым). Например, зародившемуся в центре Солнца фотону требуются десятки или сотни тысячелетий, чтобы добраться до поверхности звезды. За это время он бесчисленное количество раз поглощается и переизлучается, и, в итоге, кардинально меняет свои свойства. А вот нейтрино проделывают этот путь практически мгновенно и как бы ничего не заметив.
Агенты, способные пронести информацию невредимой сквозь любые преграды и расстояния, интересуют всех. Специалисты по ядерной безопасности собираются измерять поток нейтрино от атомных реакторов, чтобы контролировать, не производится ли там, к примеру, оружейный плутоний (такие технологии мониторинга сейчас разрабатываются в МИФИ). Геофизики с помощью нейтрино изучают радиоактивный распад, разогревающий мантию нашей планеты. Астрономы буквально по косточкам разбирают процессы, происходящие в бурлящем термоядерном котле Солнца. А исследователям дальнего космоса интереснее всего загадочные нейтрино высоких энергий, приходящие с просторов Вселенной.
Детектор невидимок
Как поймать частицу, остановить которую не может вся толща земного шара? Ответ прост и универсален: терпение и труд. Крайне редко какая-нибудь из этих невидимок все-таки врезается в атомное ядро и вызывает реакцию, которую можно зарегистрировать. Если построить достаточно большой детектор, такие события можно фиксировать и изучать.
Когда нейтрино попадает в атомное ядро, последнее может превратиться в ядро другого химического элемента. Первые нейтринные телескопы использовали именно эти трансмутации, которым могли бы позавидовать алхимики минувших веков. Сегодня в мире остался только один крупный инструмент этого типа: галлий-германиевый нейтринный телескоп в Баксанской нейтринной обсерватории (Кабардино-Балкария).
Старая Земля: почему важно открытие планеты у одной из древнейших звезд в Галактике
Минус этого подхода в том, что такой детектор не может работать в реальном времени. Чтобы выловить считанные «мутировавшие» атомы в десятках тонн вещества, нужна долгая и сложная процедура очистки. Между тем космос буквально искрится разного рода вспышками, взрывами, столкновениями и прочими скоротечными катаклизмами. Порой считанные часы, если не минуты, решают, состоится ли открытие.
Поэтому уже в 1970-х годах обсуждалась идея нейтринного телескопа, работающего в реальном времени благодаря эффекту Вавилова–Черенкова. «Сердце» такого телескопа — это огромная масса прозрачного вещества (воды или льда). Когда нейтрино врезается в протон атомного ядра, тот превращается в нейтрон и испускает другую частицу — мюон. Тот тоже врезается в какое-нибудь атомное ядро, и так далее. В результате рождается целый каскад заряженных частиц, движущихся сквозь воду или лед быстрее света.
Но как это возможно? Разве скорость света — не предельно возможная по законам физики (причина неутолимой печали для всех, кто мечтает о межзвездных путешествиях)? Да, но лишь пока речь идет о скорости света в вакууме. А в любой другой среде свет движется медленнее и его вполне можно обогнать. Когда же заряженная частица движется сквозь среду быстрее света, она сама испускает свет (это и называется эффектом Вавилова–Черенкова). Такое свечение и фиксируют специальные датчики-фотодетекторы.
Поскольку нейтрино очень редко сталкиваются с атомными ядрами, объем воды или льда должен быть огромным. Поэтому создатели IceCube в качестве естественного резервуара выбрали Антарктиду, а российские ученые — Байкал.
Нейтрино чистой воды
Исследователей привлекла не только глубина огромного водоема, позволяющая установить большой детектор. Вода Байкала очень прозрачна (видимость составляет до 20 метров). Кроме того, всю зиму поверхность озера покрыта толстым надежным льдом, через лунки в котором удобно опускать в воду оборудование. На глубине же зимой и летом царит температура +4°C, в самый раз для стабильной работы аппаратуры.
Поэтому именно на Байкале был сооружен первый в истории подводный телескоп, зафиксировавший космические нейтрино — НТ-200. Он был создан коллаборацией из нескольких российских НИИ во главе с Институтом ядерных исследований (ИЯИ РАН) в сотрудничестве с германским исследовательским центром DESY. Строительство НТ-200 началось в 1993 году, а уже через год телескоп зарегистрировал первые нейтрино. В 1998 году сооружение телескопа закончилось.
Этот инструмент получил интересные результаты. Но его скромные масштабы (всего 200 фотодетекторов, регистрирующих черенковское излучение) никак не могли удовлетворить астрономов. Для масштабного исследования космоса нужны и инструменты космического масштаба.
Как участнику рейтинга Forbes и его коллегам удалось впервые «поймать» неуловимую черную дыру
Поэтому была образована международная научная коллаборация «Байкал» во главе с ИЯИ РАН и Объединенным институтом ядерных исследований. Участники коллаборации начали строительство гигантской установки Baikal-GVD.
Новый телескоп состоит из нескольких кластеров по восемь вертикальных гирлянд (тросов, на которых подвешены фотодетекторы). Одна такая гирлянда несет 36 фотодетекторов. Таким образом, всего в одном кластере 288 датчиков — больше, чем во всем НТ-200.
Первый такой кластер был запущен еще в 2016 году и тогда же начал сбор научных данных. В последующие годы добавлялись все новые кластеры и тоже сразу же включались в работу. Так что состоявшаяся недавно церемония открытия — в известной мере условность, ведь команда Baikal-GVD охотится за нейтрино уже несколько лет.
Всего в телескопе на данный момент семь кластеров, но уже в начале апреля текущего года планируется добавить восьмой. Тогда в установке будет 64 гирлянды и более 2300 фотодетекторов.
Такие масштабы делают Baikal-GVD самым крупным нейтринным телескопом на Земле после IceCube, использующего целый кубический километр антарктического льда. Однако астрофизикам важен не номинальный объем льда или воды, охваченный фотодетекторами, а так называемый эффективный объем телескопа. И по этому параметру (0,4 км³) российский инструмент уже сейчас не уступает своему собрату из Южного полушария, если речь идет об основной для обоих телескопов деятельности — регистрации энергичных космических нейтрино.
Впрочем, нынешние параметры Baikal-GVD — не предел. Ученые стремятся нарастить его эффективный объем до 1 км³, и при благоприятном развитии событий эта цель может быть достигнута уже к концу 2020-х годов.
Исследователей Вселенной интересуют нейтрино с очень высокой энергией: 60-100 тераэлектронвольт. Только такие частицы можно надежно выделить из потока нейтрино, рождающихся в атмосфере Земли под действием космических лучей. По словам руководителя проекта Baikal-GVD члена-корреспондента РАН Григория Домогацкого, при восьми работающих кластерах можно ожидать регистрации четырех–пяти подобных частиц в год. Для сравнения: за последние десять лет IceCube «поймал» их около сотни.
История любви: зачем Россия возвращается на Венеру
Природа таких нейтрино во многом остается загадкой. В прошлом году исследователи получили убедительные доказательства, что как минимум некоторые из этих частиц рождаются в окрестностях сверхмассивных черных дыр в далеких галактиках. Но предстоит еще многое сделать для того, чтобы раскрыть тайну космических нейтрино и узнать все, что они могут рассказать о Вселенной.
Научный треугольник
Как и сами нейтрино, проекты по их изучению не признают границ. Baikal-GVD и IceCube входят в консорциум «Глобальная нейтринная обсерватория» (Global Neutrino Observatory). Его третий участник — сеть KM3NeT, строительство которой сейчас ведется в Средиземном море у берегов Франции, Италии и Греции. Пока оно находится в начальной стадии: установлено лишь несколько гирлянд с фотодетекторами. Но в перспективе это будет очень масштабный инструмент.
Нет нужды напоминать, что Антарктида, Байкал и Средиземноморье весьма удалены друг от друга. Благодаря этому система из трех нейтринных телескопов приобретает своего рода стереоскопическое зрение, позволяющее точнее определять направление на источник нейтрино.
Космос, зеленая энергетика и Китай: во что инвестировать состоятельным клиентам в 2021 году
Зафиксировав интересное событие, астрономы могут сразу же указать его координаты своим коллегам, работающим с оптическими и другими телескопами. Подобное «быстрое наведение» давно практикуется астрономами, изучающими скоротечные процессы. Так что Baikal-GVD вливается в тесную компанию самых разных проектов, объединенных общей целью — раскрыть тайны Вселенной.
Мнение автора может не совпадать с точкой зрения редакции