13 марта в рамках Года науки и технологий в России на Байкале начинает работу самый крупный в Северном полушарии глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD. Он создавался под руководством специалистов Объединенного института ядерных исследований и Института ядерных исследований РАН.
Свой вклад также внесли сотрудники других российских научных центров и специалисты из Чехии, Словакии и Польши. По словам экспертов, опрошенных порталом национальныепроекты.рф, уникальная установка класса мегасайенс создаст беспрецедентные возможности для изучения Вселенной, а также подтвердит статус России как ведущей научной державы, что отвечает целям и задачам нацпроекта «Наука».
Нейтрино — это частица, у которой нет заряда, крайне малая масса и скорость, близкая к скорости света. Ученые считают, что она может долететь из недр рождающихся или умирающих галактик до Земли без существенных изменений и принести информацию о процессах, происходящих во Вселенной.
Вместе с тем нейтрино очень сложно «поймать». Как объяснил порталу национальныепроекты.рф декан физического факультета Иркутского государственного университета Николай Буднев, это связано с особыми свойствами этих частиц. «Нейтрино очень слабо взаимодействует с окружающими веществами, причем само нейтрино как частица электрически нейтрально и его невозможно зарегистрировать никаким прибором. Через нас каждую секунду проходят миллиарды нейтрино, и мы этого не замечаем», — отметил исследователь.
Для того чтобы вероятность взаимодействия нейтрино была значимой, нужна большая мишень — примерно миллиард тонн воды, или кубический километр. В качестве вещества-мишени еще в советские времена предложили использовать воду в глубоком прозрачном водоеме: разместить там своеобразную кристаллическую решетку и поставить детекторы света.
«Когда объем мишени большой, при взаимодействии с нейтрино (с небольшой вероятностью, но все же это возможно) возникают электрически заряженные частицы и свет. Это так называемое черенковское излучение, за открытие которого советские физики в 1958 году получили Нобелевскую премию. Задача установки в том, чтобы регистрировать вспышки света от взаимодействия нейтрино с водой. Но поскольку оно очень слабое, вода должна быть прозрачной, а другие источники света нужно исключить. Тогда получится определить энергию нейтрино, направление их движения и даже тип», — сообщил ученый.
Как пояснил руководитель нейтринной программы Объединенного института ядерных исследований, замдиректора лаборатории ядерных проблем имени В.П. Джелепова в Дубне Дмитрий Наумов, именно уникальные свойства байкальской воды помогают установить направление прилета нейтрино с рекордной точностью.
Первые успешные результаты в этой области появились в 70-е годы прошлого века. Детекторы Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН, расположенной в толще горы Андырчи в Приэльбрусье (Кабардино-Балкария), в числе первых зарегистрировали частицы, летящие от Солнца и вспышек сверхновых звезд. Но для того, чтобы зарегистрировать нейтрино более высоких энергий, необходимо было использовать чистые природные водоемы.
Так появился Байкальский нейтринный телескоп первой версии — его создание началось еще в 1990 году. Телескоп, запуск которого станет одним из ключевых событий Года науки и технологий в России, — новой, модифицированной версии, его сооружение началось в 2015-м.
«Глубоководная нейтринная установка на озере Байкал регистрирует взаимодействие с водой нейтрино сверхвысоких энергий, превышающих энергию солнечных нейтрино в сотни миллионов и даже миллиарды раз. Байкальский нейтринный детектор определяет исходное направление частиц, что позволяет называть его нейтринным телескопом. Вместе с телескопами, регистрирующими электромагнитные и гравитационные волны, нейтринные телескопы положили начало новому научному методу — многоканальной астрономии», — рассказал порталу Наумов.
Байкальский глубоководный нейтринный телескоп на 106-м километре Кругобайкальской железной дороги строила международная коллаборация Baikal-GVD под руководством ученых из Объединенного института ядерных исследований и Института ядерных исследований РАН. Свой вклад внесли и специалисты из Иркутского государственного университета, Нижегородского государственного технического университета, Санкт-Петербургского морского государственного технического университета и других российских вузов, а также из Чехии, Словакии и Польши.
При этом столь длительное создание установки, по словам Буднева, объясняется технической сложностью: ученым необходимо было разработать принципиально новое оборудование, включая специальные приемники света и электронику.
Современный Baikal-GVD состоит из системы глубоководных станций (вертикальных гирлянд) и стальных тросов, прикрепленных ко дну озера якорями. Система поплавков (кухтылей) на глубине 20 м поддерживает гирлянду в вертикальном положении. К тросу подвешены 36 оптических модулей на расстоянии 15 м друг от друга. Также есть четыре электронных модуля, обеспечивающих электропитание, сбор данных, калибровку, синхронизацию и управление телескопом, и три-четыре гидроакустических модуля (модема) для точного позиционирования оптических модулей в водной среде.
Глубоководные станции объединены в кластеры. Каждый из них соединен оптоэлектрическим кабелем с береговым центром, где дежурные операторы и электрики круглосуточно контролируют работу телескопа. Получаемые телескопом данные формируют экспериментальную базу исследований проблем астрономии и астрофизики элементарных частиц. Тот факт, что еще на стадии его создания детекторы уловили потоки нейтрино и выделили эти частицы из шумовых и фоновых сигналов значительно более высокого уровня, уже научное достижение мирового масштаба.
«Данные Байкальского нейтринного телескопа помогут ученым ответить на фундаментальные вопросы образования галактик, эволюции Вселенной и устройства нашего мира. Байкальский телескоп способен изучать экосистему Байкала новым методом — при помощи регистрации свечения воды в озере на разных глубинах. За этим излучением наш прибор будет следить 24/7 круглый год, предоставляя ценную информацию ученым, исследующим озеро Байкал», — рассказал Наумов.
По его мнению, запуск телескопа решает ключевую задачу формирования мировой нейтринной сети — создание в Северном полушарии детектора, сравнимого по чувствительности с детектором IceCube на Южном полюсе. Совместная работа двух этих установок, а также других телескопов, входящих в глобальную сеть, позволит вести поиск источников нейтринного излучения на всей небесной сфере, уверен ученый.