В поисках темной материи на Байкале

В поисках темной материи на Байкале

Фото: BAIKAL-GVD

Объединенная двигателестроительная корпорация Ростеха участвует в проекте создания глубоководного нейтринного телескопа мультимегатонного масштаба на Байкале. Специалистами ОДК разработана технология термообработки экранов оптических модулей телескопа.

О том, как на Байкале пытаются «поймать» неуловимую частицу нейтрино, и чем это поможет пролить свет на природу загадочной темной материи и происхождение Вселенной – в нашем материале.

Нейтринная обсерватория на дне Байкала

Нейтрино — это двигающиеся со скоростью света, нейтральные частицы. До недавнего времени считалось, что их масса равна нулю. Экспериментальное исследование этих частиц чрезвычайно затруднено, поскольку нейтрино имеют очень маленькое сечение взаимодействия с веществом. Для них проницаемо практически все, они беспрепятственно преодолевают гигантские расстояния и доставляют на Землю информацию о процессах, происходящих во всех частях Вселенной. Поэтому сегодня нейтрино-объект изучения мощных научных лабораторий во всех странах мира.

Верхние слои атмосферы постоянно бомбардируются частицами, прилетающими из космоса (в основном это протоны). Энергии их таковы, что они порождают цепочки ядерных реакций, одним из продуктов которых могут быть нейтрино. Источником нейтрино служит еще Солнце. Именно солнечные нейтрино помогают понять процессы, происходящие внутри Солнца и других звезд. И, наконец, следует сказать о нейтрино сверхвысоких энергий, потоки которых возникают, например, при взрывах сверхновых.

Для регистрации различных нейтрино строятся соответствующие установки, которые отличаются конструкцией, размерами и местоположением, в соответствии с тем, какой метод детектирования они осуществляют и на какую энергию частиц рассчитаны.

Озеро Байкал в России предоставляет учёным идеальную среду для наблюдения нейтрино, потому что эти частицы излучают видимый свет при прохождении через прозрачную воду. Глубина озера также может защитить детекторы от излучения и помех.

«Рыбалка» началась

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).

Один из оптических модулей

«Мы ожидаем, что скоро все вместе поймем Вселенную, мы раскроем ее историю, то как зарождались галактики», — заявил журналистам министр науки и высшего образования России Валерий Фальков. Он отметил, что это также важно для региона, поскольку наука является одним из двигателей регионального развития.

Директор Института ядерных исследований РАН Максим Либанов сообщил журналистам, что в проект вложено около 2,5 млрд рублей. Планируется развивать и дополнять проект. К 2030 году, если в мире не будут построены новые более крупные телескопы, Baikal-GVD станет крупнейшим на Земле.

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 апреле текущего года планируется добавить восьмой. Тогда в установке будет 64 гирлянды и более 2300 фотодетекторов — объем в 0,4 кубического километра, в котором он способен «видеть» вспышки и идентифицировать частицы. В перспективе планируется довести эффективный объем телескопа до кубического километра.

«Никогда не упускайте шанс задать природе какой-либо вопрос. Никогда не знаешь, какой ответ получишь» — сказал 80-летний Григорий Домогацкий, российский физик, который в течение 40 лет возглавлял создание этого подводного телескопа.

Почему Байкал?

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.

Поэтому была образована международная научная коллаборация «Байкал» во главе с ИЯИ РАН и Объединенным институтом ядерных исследований для строительства Baikal-GVD.

Домогацкий сказал, что его команда уже обменивается данными с охотниками за нейтрино в других местах и ​​что она нашла доказательства, подтверждающие выводы IceCube о нейтрино, прибывающих из космоса. Тем не менее он признает, что проект «Байкал» значительно отстает от других в разработке компьютерного программного обеспечения, необходимого для идентификации нейтрино в режиме, близком к реальному времени.

Несмотря на значимость проекта, он по-прежнему имеет ограниченный бюджет — почти все из примерно 60 учёных, работающих с телескопом, обычно проводят февраль и март в своем лагере на Байкале, устанавливая и ремонтируя его компоненты. IceCube, напротив, включает около 300 учёных, большинство из которых никогда не были на Южном полюсе.

Гирлянды индивидуальных детекторов нейтрино, составляющие Байкальскую обсерваторию

Как ловить?

Байкальский телескоп смотрит вниз, через всю планету к центру нашей галактики и дальше, по сути используя Землю как гигантское сито. По большей части, более крупные частицы, ударяющиеся о «противоположную сторону» планеты, в конечном итоге сталкиваются с атомами.

Идея нейтринного телескопа обсуждалась еще в 1970-х годах, 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 лёд быстрее света.

Но как это возможно? Разве скорость света — не предельно возможная по законам физики (причина неутолимой печали для всех, кто мечтает о межзвёздных 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.

«Байкал» — северный напарник

Предприятие на Байкале — не единственная попытка охоты за нейтрино в самых отдаленных уголках мира. Десятки приборов ищут частицы в специализированных лабораториях по всей планете. Но новый российский проект станет важным дополнением к работе IceCube, крупнейшего в мире нейтринного телескопа, американского проекта стоимостью 279 миллионов долларов, который охватывает около четверти кубической мили льда в Антарктиде.

Используя сетку световых детекторов, аналогичную байкальскому телескопу, IceCube идентифицировал в 2017 году нейтрино, которое, по словам учёных, почти наверняка пришло из сверхмассивной черной дыры. Это был первый случай, когда учёные определили источник дождя высокоэнергетических частиц из космоса, известного как космические лучи, — прорыв в нейтринной астрономии, которая остается в зачаточном состоянии.

«Это как смотреть на ночное небо и видеть только одну звёзду», — сказал Фрэнсис Л. Халзен, астрофизик из Университета Висконсина в Мэдисоне и директор IceCube, описывая текущее состояние «охоты на призрачных частиц». Ранние работы советских учёных вдохновили Хальзена в 1980-х годах на создание детектора нейтрино во льдах Антарктики.

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.

Как и сами нейтрино, проекты по их изучению не признают границ. Baikal-GVD и IceCube входят в консорциум «Глобальная нейтринная сеть» (Global Neutrino Network). 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.

Антарктида, Байкал и Средиземноморье довольно удалены друг от друга. Благодаря этому система из трех нейтринных телескопов приобретает своего рода стереоскопическое зрение, позволяющее точнее определять направление на источник нейтрино.

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.

«Нейтрино путешествует по Вселенной, не сталкиваясь практически ни с чем и ни с кем», — сказал Домогацкий. «Для него Вселенная — прозрачный мир».

На правах рекламы

VDS для любых целей — это именно про виртуальные серверы от нашей компании. Сконфигурируйте собственный тариф в пару кликов, устанавливайте любую операционную систему и абсолютной любой софт.

Регистрация нейтрино посредством черенковского излучения

Но конструирование инструмента, способного уловить такие «неуловимые» частицы как нейтрино – совершенно непростая задача. Ведь как уже было сказано ранее – эти частицы практически не взаимодействуют с окружением.

Моисей Марков — родоначальник изучения нейтрино

Моисей Марков – советский физик-теоретик, который провел немало работ в области физики нейтрино, обосновал возможность наблюдения нейтрино в подземных обсерваториях. В 1960-м году Моисей Александрович предложил регистрировать нейтрино в озерах и океанах – глубоко под водой. Это возможно посредством так называемого черенковского излучения. Дело в том, что скорость света при прохождении сквозь воду несколько падает в силу взаимодействия фотонов с водой. В это же время нейтрино в результате малых взаимодействий с водой порождает множество заряженных частиц, которые имеют высокую энергию и движутся сквозь воду быстрее, чем фотоны – то есть чем свет, который движется в воде.

В случае, когда заряженная частица движется сквозь прозрачную среду со скоростью больше скорости света в этой среде – она излучает большое количество фотонов, которые можно зарегистрировать. Это явление и получило название — эффект Вавилова — Черенкова.

Таким образом, пролетающие сквозь воду нейтрино, при взаимодействии со средой выделяют заряженные частицы вроде мюонов (в 100-200 раз тяжелее электрона) или целые каскады частиц, состоящих из электронов и позитронов. Эти заряженные частицы движутся в воде со скоростью больше скорости света в воде, а потому выделяют огромное количество фотонов, которые и улавливаются нейтринными телескопами.

В силу «экзотических» особенностей регистрации нейтрино, нейтринные телескопы совсем не похожи на оптические или радио, а скорее напоминают какие-то установки, используемые в физике элементарных частиц. Регистрация производится посредством фотодетекторов, улавливающих то самое черенковское излучение. Для усиления данного излучения в детекторы также должны входить фотоэлектронные умножители – приборы, усиливающие поток фотонов в 10 000 раз.

Гавайский фальстарт

Первая попытка осуществить идею Маркова закончилась провалом из-за политических и технических сложностей, хотя если история пошла бы иначе, то российские и американские физики сидели бы сейчас не на льду Байкала и Антарктиды, а где-нибудь на гавайском пляже. Именно в океане у берегов Гавайских островов было решено построить первый по-настоящему большой нейтринный телескоп: установка DUMAND (Deep Underwater Muon And Neutrino Detector) в первоначальном варианте должна была иметь эффективный объем (то есть объем, в котором она была способна видеть вспышки) 1,26 кубического километра и состоять из 22,6 тысячи оптических модулей-фотодетекторов.

Американские и советские ученые начиная с середины 1970-х годов обсуждали разные варианты установки. Предлагались конструкции, «заточенные» для слежения за нейтрино от вспышек сверхновых, за атмосферными нейтрино высоких энергий и внеземными нейтрино высоких энергий. В итоге было принято решение построить телескоп, ориентированный на последние две задачи. DUMAND должен был фиксировать черенковское излучение от мюонов, летящих вверх, с океанского дна. Это гарантировало, что его породило именно нейтрино высоких энергий — никакая другая частица не в состоянии пролететь сквозь всю планету.

Планы создать гигантскую установку порождали оптимистические ожидания. Например, New Scientist в июле 1976 года писал, что DUMAND может обнаружить следы галактик, состоящих из антиматерии.

В 1980 году проекту пришлось пережить принудительный развод с советскими коллегами. «Начался Афганистан, и после этого наше участие в гавайском проекте DUMAND кончилось. Американцы продолжали его сами», — говорит Домогацкий.

«Прекращение связей с русскими было обставлено элегантно и со вкусом, — вспоминает один из лидеров проекта DUMAND Артур Робертс. — Нам конфиденциально сообщили, что хотя мы конечно абсолютно свободны выбирать тех коллабораторов, которые нам нравятся, но если в их числе случайно окажутся русские, то так случится, что для проекта не окажется доступного финансирования».

Затем начались многочисленные и многообразные технические и финансовые сложности, и проект начал быстро съеживаться. От объема в почти полтора кубических километра и более 20 тысяч детекторов в 1980 году осталось 0,6 кубического километра, а в 1988 году все это сузилось до проекта DUMAND-II с эффективным объемом 0,002 кубического километра и 216 детекторами.

Эволюция проекта DUMAND

Christian Spiering / The European Physical Journal H, 2012