На каких принципах основана работа нейтринных телескопов? Как происходило создание нейтринных телескопов первого поколения? Какое значение для нейтринной астрофизики имеют результаты, полученные на установке IceCube? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Жан-Арыс Джилкибаев.

Вся совокупность наблюдательных экспериментальных знаний, полученных человечеством о Вселенной, ее развитии, эволюции, связана с регистрацией частиц, которые являются переносчиками информации из объектов, где они рождаются, и которые достигают окрестностей Земли.

В первую очередь это космические лучи, которые были обнаружены сто лет назад в экспериментах Виктора Гесса. Они состоят из протонов и более тяжелых ядер и зарегистрированы в огромном диапазоне энергии — от миллионов электронвольт до 1021 электронвольт. Мы знаем, что где-то во Вселенной эти частицы ускоряются, приобретают свою энергию, но мы не знаем, какие это объекты, где они. Не знаем потому, что эти частицы заряжены и на пути от своего источника к Земле отражаются на магнитных полях, теряют информацию о своем направлении.

Поэтому нужны электрически нейтральные частицы, которые бы шли прямо от источника к приемнику, то есть к нам. Такой частицей является фотон — электромагнитное излучение. Оно тоже исследовано в очень широком диапазоне — от радиоволн до гамма-излучения очень высоких энергий, но оно тоже обладает некоторым недостатком, потому что оно достаточно сильно взаимодействует с веществом. Поэтому при некоторых особенно интересных диапазонах энергии — от сотен ГэВ и до ПэВов — это излучение поглощается довольно быстро, и мы не можем заглянуть в далекие области Вселенной.

Рекомендуем по этой теме:
8566
Лептоны и нейтрино

Но существует еще одна частица — это нейтрино, нейтральная частица, которая не имеет заряда, но в то же время очень слабо взаимодействует с веществом, на 10–15 порядков слабее, чем фотоны и космические лучи. И эта частица практически может выйти из тех областей Вселенной, где она рождается, — а рождается она во взаимодействиях протонов и ядер с веществом в источниках, — и дойти до Земли, практически не изменяясь, и принести информацию о процессах, которые находятся в глубинах Вселенной, в глубинах источников.

Простой пример, который вы можете себе представить: на Земле мы видим Солнце, и когда оно уходит за горизонт, у нас наступает ночь. Но если бы мы видели нейтрино, то ночи бы у нас не было, потому что Земля прозрачная, и мы бы видели Солнце, которое 24 часа в сутки ходит вокруг нас, вокруг Земли. То есть нейтринными глазами мы могли бы увидеть совершенно другой мир, и даже неизвестно, что мы увидим, если создадим нейтринные телескопы — приборы, которые исследуют космос благодаря нейтрино.

В основе нейтринного телескопа лежит концептуальная идея, которая высказана была академиком Марковым в 1960 году. Она заключается в том, чтобы регистрировать заряженные частицы глубоко под водой, в озерах или океанах, посредством регистрации их черенковского излучения. Что такое черенковское излучение? Каждая частица, которая движется со скоростью больше, чем скорость света, в прозрачной среде, излучает черенковское излучение, и с траектории частиц, с одного сантиметра излучается порядка двухсот фотонов, например, в воде. То есть это довольно мощный источник, который можно регистрировать.

Нейтринные телескопы основаны на принципе регистрации черенковского излучения.

Нейтринный телескоп хотя и называется телескопом, но он скорее похож на установку, которая используется в физике элементарных частиц. Потому что имеется поток нейтрино из космоса, этот поток в воде или в другой прозрачной среде, например во льду в Антарктиде, взаимодействует с веществом, и рождаются конечные продукты. Это может быть либо мюон — частица, которая тяжелее электрона где-то в 100–200 раз, она пробегает большие расстояния в воде или в веществе, слабо теряет энергию, — либо могут рождаться так называемые каскады частиц — точечные источники, которые состоят из многих электронов, позитронов, — они тоже излучают черенковское излучение.

И если вы имеете такой детектор глубоко под водой, имеете прозрачную среду, то это черенковское излучение, вторичное может быть зарегистрировано фотодетекторами — это приборы, которые регистрируют свет. На этом принципе основаны нейтринные телескопы — большие установки, которые достигают сейчас уже объема порядка кубического километра, которые содержат фотоумножители, распределенные в этом объеме, которые регистрируют черенковское излучение вторичных частиц.

После того как была предложена эта идея, в мире началось исследование возможности построения таких черенковских детекторов, телескопов. Первый проект, который был задуман, — это проект ДЮМАНТ в Соединенных Штатах. Где-то в 70-х годах он интенсивно обсуждался, были поставлены задачи, которые эта установка может решить. И к 1980 году созрел проект, который предполагал строительство установки, содержащей порядка 20 тысяч фотоумножителей, распределенных в кубическом километре воды в окрестностях Гавайев в Соединенных Штатах. Но поскольку проблема была очень тяжелая, таких структур еще никто не развивал в океане под водой, проект шел довольно медленно, и в конце концов в 1988 году он был урезан до размера установки в 216 фотоумножителей, которые должны были распределяться на девяти гирляндах. В 1993 году первая такая гирлянда была поставлена, но, к сожалению, часть оптических модулей затекла, в коннекторе, который связывал установку с берегом, произошло короткое замыкание, и связь была потеряна. И это привело к тому, что в Соединенных Штатах прекратили финансирование этого проекта.

В это же время в Советском Союзе в 1980 году было решено также начать исследование в этой области, но взяли Байкал. Байкал имеет очень прозрачную воду, достаточную глубину, еще имеется ледовый покров зимой, с которого можно работать, и, исходя из этого, была создана коллаборация «Байкал», в которую вошли ряд институтов. Ведущим был Институт ядерных исследований Академии наук. В 1993 году началось строительство байкальского нейтринного телескопа НТ-200. Он содержал 196 оптических модулей, поэтому цифра 200. И на этой установке уже в 1994 году были зарегистрированы первые нейтрино, которые были зарегистрированы в подводном эксперименте, то есть было показано, что возможна регистрация таких нейтрино с помощью таких установок. Этот детектор был построен в 1998 году и проработал порядка десяти лет, на нем были получены разные результаты.

Рекомендуем по этой теме:
6858
Роль нейтрино в космологии

В то же время в Америке, несмотря на то что проект ДЮМАНТ был остановлен, появилась оригинальная идея создать такую установку в Антарктиде, во льду. Лед является прозрачной средой, и, главное, к тому времени была разработана технология бурения льда: при помощи горячей воды пробуривается скважина, протаивается до трех километров глубиной, и в эту скважину можно опустить фотоумножители в течение 48 часов, пока все еще не замерзло, и таким методом можно поставить эту решетку, поставить нейтринный телескоп. Это было осуществлено. С 1995 по 2000 год на Южном полюсе была создана установка AMANDA — это детектор первого поколения, такой же, как и байкальский. А следующий шаг был сделан в 2008 году, когда в Средиземном море была поставлена уже подводная установка, там решены были проблемы, которые не смог решить ДЮМАНТ. Эта установка называется ANTARES, она работает до сих пор в Тулонской бухте около Франции.

Это этап, когда были созданы промежуточные установки первого поколения. Они показали, что в этих трех средах можно ставить эксперименты, что все удачно. Но в то же время они показали, что нейтрино — поток астрофизической природы, он низкой интенсивности, поэтому нужны установки большего размера, порядка кубического километра. И во всех этих трех районах, в этих трех экспериментах — на Байкале, в Средиземном море и на Южном полюсе, — начались работы по созданию таких установок кубического километра.

Первая установка, которая была создана, — это установка на Южном полюсе, называется она IceCube, она содержит около 5 тысяч фотодетекторов, распределенных в кубическом километре льда на глубине от 1500 до 2500 метров.

Она заработала в 2011 году, и на этой установке наконец были получены результаты, которые открыли эру нейтринной астрономии.

По данным трех лет, было накоплено порядка сорока событий, которые, было доказано, являются событиями астрофизической природы, не являются фоновыми. Причем три события такой мощности, что вся установка, кубический километр, была практически засвечена светом от этих событий.

Этот результат краеугольный в нейтринной астрономии, в нейтринной астрофизике, потому что теперь стало ясно, какого уровня поток астрофизических нейтрино, известен более-менее спектр — это падающий спектр, который соответствует ожидаемому спектру от источников космических нейтрино. В то же время отношение числа мюонных и каскадных событий таково, что каскадных событий порядка 80%, а мюонных 20%. Это соответствует тому, что к нам на Землю приходят все три типа нейтрино: мюонные, электронные и таонные, — но распределение по углам пока считается изотропным. И что это значит? Это значит, что на небе нет какого-то выделенного источника, с которого идет основная часть этих частиц. Но проблема в том, что разрешающая способность детектора IceCube по отношению каскадов очень низкая — это 15 градусов и выше. Это связано со свойствами льда — лед очень сильно рассеивает свет. Получается, что вы как будто смотрите свет фонаря в тумане, он расплывчат, нет точных его координат. Но этого недостатка не существует в воде. В воде практически нет рассеяния, и соответствующее угловое разрешение этих телескопов в воде — градус, это на сотни раз лучше, чем в IceCube. В IceCube мы лед поменять не можем — значит, надо для дальнейшего продвижения строить установки в воде. Это одна из мотиваций того, что эксперименты в воде должны быть реализованы.

Какая теперь ситуация с этими экспериментами? В Средиземном море сейчас планируется создать установку тоже кубокилометрового масштаба, которая будет состоять из шести блоков, каждый блок будет иметь объем порядка 0,5 кубического километра, и размещены они будут в трех районах: в Тулонской бухте, в Италии, у берегов Сицилии, и в Греции, — в каждом районе будет создаваться по два таких модуля. В настоящее время подготовлена первая гирлянда этого телескопа, состоящая из восемнадцати оптических модулей. Она сейчас тестируется во Франции, и в 2015 году планируется ее развертывание во Франции в Средиземном море.

На Байкале в байкальском эксперименте создан проект нейтринного телескопа Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector) — детектор кубокилометрового масштаба. Он будет состоять из отдельных блоков, тоже кластеров, каждый кластер будет содержать около двухсот фотоумножителей, и такими независимыми кластерами, установками будет набираться детектор кубокилометрового масштаба. В 2015 году на Байкале развернут первый кластер этой установки, он содержит восемь гирлянд, на которых находится 192 оптических модуля объемом порядка 20 мегатонн. Детектор такой же, как примерно ANTARES в Средиземном море.

Дальнейшие планы в этой области. IceCube будет вести набор данных, и в то же время планируется разработать расширение IceCube примерно до 10 кубических километров. Этот проект будет создан где-то к 2018–2020 году, а реализован, если будет поддержан, где-то к 2028 году. В Средиземном море к 2018–2020 году планируется создать один или два блока — это установки, которые имеют чувствительность примерно IceCube, и в полном объеме шесть таких блоков планируется к 2025 году. На Байкале планируется создание к 2020 году установки с объемом порядка IceCube для регистрации нейтрино астрофизической природы.

Все эти установки в разных районах взаимодополняют друг друга, потому что исследуют потоки снизу, и если установка находится в Южном полушарии, то она не видит небо в Северном полушарии. Поэтому был создан международный консорциум, в который вошли байкальская коллаборация, средиземноморская и антарктическая, — Глобальная нейтринная обсерватория. Ее целью является набор и объединение данных со всех трех установок для совместного анализа и исследования природных потоков нейтрино. И этот консорциум в результате, конечно, существенно повысит возможность экспериментов в этой области.

Таким образом, в настоящее время началась новая эра, новое направление развития науки астрономии — это нейтринная астрономия. И российские ученые здесь могут внести свой вклад в эту деятельность, поскольку сейчас они находятся на лидирующих позициях и имеют возможность получать на байкальской установке данные мирового уровня.