В озере Байкал будут ловить нейтрино

Ученые Института ядерных исследований Российской академии наук (Москва) и Объединенного института ядерных исследований (Дубна) сообщили, что при содействии ряда российских научных организаций, входящих в коллаборацию «Байкал», развернут и введен в эксплуатацию уникальный экспериментальный комплекс – глубоководный нейтринный телескоп мультимегатонного масштаба «Дубна» на озере Байкал. Он стал первым кластером создаваемого нейтринного телескопа кубокилометрового масштаба Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector). Размещенное в озере оборудование предназначено для исследования природного потока нейтрино высоких энергий.

Нейтрино, пройдя сквозь толщу Земли, может с некоторой вероятностью провзаимодействовать в воде озера Байкал и породить каскад заряженных частиц. А они - излучение: так называемый Черенковский свет от заряженных частиц. Свет распространится в воде озера и будет зарегистрирован оптическими модулями телескопа.

Кластер «Дубна» содержит в своем составе 192 оптических модуля, погруженных на глубины до 1300 метров. Он стал одним из крупнейших в мире. Следующим этапом развития проекта будет последовательное увеличение объема телескопа за счет развертывания новых кластеров.

Кластер «Дубна состоит из 8 гирлянд оптических модулей (ОМ) – 7 равномерно распределены по окружности, одна помещена в центре кластера радиусом 60 метров. В каждой гирлянде 2 секции по 12 ОМ c расстоянием между ОМ по вертикали 15 метров.

Регистрация нейтрино на Байкале позволит понять высокоэнергичные процессы, протекающие в далеких астрофизических источниках, установить происхождение космических частиц самых высоких когда-либо зарегистрированных энергий, открыть новые свойства элементарных частиц и узнать много нового об устройстве и эволюции Вселенной в целом.

Оптический модуль. Все его узлы - фотоэлектронный умножитель R7081-100, контроллер, усилитель сигналов ФЭУ, светодиодная система калибровки и блок высоковольтного питания ФЭУ - размещены в глубоководном стеклянном корпусе VITROVEX диаметром около 50 сан

Оптический модуль опускают под лед.

КОММЕНТАРИИ СПЕЦИАЛИСТОВ

Валерий Рубаков, академик, руководитель секции ядерной физики Отделения физических наук РАН:

- В ансамбле известных на сегодня элементарных частиц нейтрино занимает позиции одного из легчайших его участников и прочно закрепило за собой в последние десятилетия статус величайшей “интриганки”. Уникальность этой частицы, как носителя информации о процессах, протекающих во Вселенной, обусловлена её сверхслабым взаимодействием с веществом.

Природный поток нейтрино несет в себе богатейшую, и во многих отношениях уникальную, информацию об окружающем нас мире. Исследование этого потока в различных энергетических диапазонах способно дать ключ к пониманию ранних стадий эволюции Вселенной, процессов формирования химических элементов, механизма эволюции массивных звезд и взрывов Сверхновых, пролить свет на проблему темной - невидимой - материи, на состав и внутреннее строение Солнца сегодня и в достаточно удаленном прошлом, и даже продвинуться в понимании проблемы внутреннего строения одного из наиболее трудных для изучения объектов –- планеты Земля.

Виктор Матвеев, академик, директор Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна):

- Идея регистрации элементарных частиц на крупномасштабных черенковских детекторах в естественных прозрачных средах была впервые высказана в начале 60-х годов прошлого века выдающимся советским ученым Моисеем Марковым. По предложению академика Александра Чудакова в СССР началась разработка метода глубоководного детектирования, ориентирующаяся на озеро Байкал как на полигон для испытаний и место развертывания будущих крупномасштабных нейтринных телескопов. Выбор Байкала был обусловлен высокой прозрачностью пресных глубинных вод, глубиной озера, наличием ледового покрова, позволяющего в течение двух зимних месяцев вести с него монтаж глубоководной аппаратуры.

Датой начала Байкальского нейтринного эксперимента можно считать 1 октября 1980 года, когда в Институте ядерных исследований АН СССР (ныне ИЯИ РАН) была создана лаборатория нейтринной астрофизики высоких энергий под руководством Григория. Домогацкого, ставшая впоследствии ядром Байкальской коллаборации, в состав которой на разных этапах входили Объединенный институт ядерных исследований (Дубна), Иркутский государственный университет, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, исследовательский центр DESY-Zeuthen (Германия), Нижегородский государственный технический университет, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет и ряд других научно-исследовательский организаций России, Венгрии, Германии, Чехии, Словакии. В настоящее время, на стадии обсуждения – участие Краковского Института ядерной физики (Польша).

В период с 1993 г. по 1998 г. на Байкале был развернут первый в мире глубоководный нейтринный телескоп НТ200, содержавший 192 фотодетектора, сгруппированных в восемь вертикальных гирлянд, размещенных на глубине 1100--1200 м и охватывающих 100 000 кубических метров пресной воды. Уже из набора экспериментальных данных 1994 года были выделены первые в мировой практике глубоководных и подледных экспериментов события от нейтрино. Была реализована широкая программа научных исследований и получены одни из наиболее значимых для своего времени результатов в задачах поиска нейтрино от локальных источников, диффузного потока нейтрино, получены ограничения на величину потока магнитных монополей и потока мюонов от распада частиц темной материи в центре Земли и Солнца.

Идея глубоководной регистрации в своей ледовой модификации, когда вместо естественного водоема фотодетекторы погружаются в прозрачный антарктический лед, привела к созданию на Южном полюсе нейтринного телескопа IceCube объемом 1 кубический километр (ведущие участники коллаборации –- США, Германия, Швеция), на котором были впервые зарегистрированы в 2010--2013 г.г. «астрофизические» нейтрино высоких энергий, то есть нейтрино, родившиеся за пределами солнечной системы. Регистрация этих нейтрино, ознаменовавшая рождение нейтринной астрономии, поставило на повестку дня необходимость создания нейтринных телескопов близкой мощности в Северном полушарии с тем, чтобы вести исследование источников нейтрино высоких энергий по всей небесной сфере. ОИЯИ, уже имеющий многолетний опыт участия в байкальском нейтринном проекте, принял решение рассматривать работу по созданию крупномасштабного нейтринного телескопа BAIKAL-GVD в качестве одного из своих научных приоритетов.”

Григорий Домогацкий, член-корреспондент РАН, координатор Байкальского нейтринного проекта:

- Успешная эксплуатация на протяжении свыше десяти лет нейтринного телескопа НТ200 и результаты анализа полученных на нем данных доказали эффективность метода глубоководной регистрации нейтрино в пресной воде оз. Байкал. Следующим шагом стала разработка проекта телескопа нового поколения BAIKAL-GVD с просматриваемым объемом водной массы порядка 1 кубического километра.

В течение 2006--2010 г.г. были разработаны, изготовлены и испытаны в натурных условиях образцы всех базовых элементов и систем телескопа Baikal-GVD. Телескоп будет иметь модульную структуру, формируемую из функционально независимых установок - кластеров вертикальных гирлянд оптических модулей. Модульная структура телескопа позволит вести набор экспериментальных данных уже на ранних этапах развертывания установки и обеспечивает перспективу практически неограниченного наращивания его объема. Выбранная структура телескопа позволит также изменять его конфигурацию по мере изменения во времени научных приоритетов.

В 2011 году начался заключительный этап комплексных натурных испытаний элементов и систем телескопа, завершившийся в 2015 году созданием глубоководной установки «Дубна» - первого кластера нейтринного телескопа Baikal-GVD. Кластер содержит 192 фотодетектора, размещенных на 8 вертикальных гирляндах длиной 345 метров каждая, и является одним из двух наиболее мощных детекторов нейтрино высоких энергий в Северном полушарии.

Следующим этапом развития проекта Baikal-GVD станет последовательное увеличение объема телескопа за счет развертывания новых кластеров. К 2020 году запланировано создать установку, состоящую из 10--12 кластеров общим объемом порядка 0.5 кубического километра. Что сопоставимо с чувствительным объемом IceCube для регистрации нейтрино высоких энергий астрофизической природы.

Ожидается, что вторая очередь телескопа будет содержать 27 кластеров с общим объемом порядка 1.5 кубических километра.

Кристиан Шпиринг, глава проекта Global Neutrino Network, в прошлом руководитель коллаборации IceCube:

- Сделан важный волнующий шаг в создании нейтринного телескопа нового поколения на озере Байкал. Такой телескоп станет ключевой установкой будущей международной нейтринной обсерватории, в которую будут входить детекторы на Южном полюсе, в Средиземном море и на озере Байкал. Коллаборация Байкал была основоположником этой технологии в 80-е и 90-е годы - провела измерения частиц нейтрино, рождающихся в атмосфере Земли. Два десятилетия спустя, в 2013 году детектор IceCube в Антарктике зарегистрировал первые нейтрино высоких энергий, родившиеся далеко за пределами Земли и Солнечной системы. Это открытие, которое давно ждали, ускорило создание проектов подобных больших детекторов в Северном полушарии. С вводом в эксплуатацию кластера “Дубна” коллаборация Байкал выходит на ведущие позиции в этих исследованиях.

Детектор IceCube лишь немного приоткрыл завесу тайны нейтрино высоких энергий во Вселенной. В будущем партнеры по проекту Global Neutrino Network составят полную карту этой новой космической территории. Нас ждут великие научные открытия на озере Байкал!

Схема нейтринного телескопа Ice Cube в Антарктиде.

Ice Cube: вид сверху.

СПРАВКА КП

Коллаборация “Байкал”включает в себя сегодня – Институт ядерных исследований РАН (Москва), Объединенный институт ядерных исследований (г. Дубна), Иркутский государственный университет, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Нижегородский государственный технический университет, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, компанию Evologic ( Германия), Институт ядерной физики (Ржеж) и Институт экспериментальной и прикладной физики (Пражский Университет, Чехия), Братиславский университет (Словакия).