Что увидит новый телескоп Baikal-GVD: нейтрино сверхвысоких энергий и эволюция галактик

Что это за телескоп?

Байкальский нейтринный телескоп (Baikal Gigaton Volume Detector, Baikal-GVD) — нейтринная обсерватория, находящаяся на дне озера Байкал. В данный момент продолжается строительство кубокилометровой версии.

По окончании постройки к 2020 году объем детектора будет сравним с крупнейшим на сегодняшний момент детектором нейтрино IceCube. Телескоп наряду с IceCube, ANTARES и KM3NeT входит в Глобальную нейтринную сеть (GNN) как важнейший элемент сети в Северном полушарии Земли.

Обсерваторию эксплуатирует коллаборация «Байкал», которая включает:

• Институт ядерных исследований РАН,
• Объединенный институт ядерных исследований,
• Иркутский государственный университет,
• Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова,
• Нижегородский государственный технический университет,
• Санкт-Петербургский государственный морской технический университет,
• Компани Evologic (Германия),
• Институт ядерной физики Академии наук Чехии,
• Институт экспериментальной и прикладной физики Пражского университета,
• Братиславский университет. 

• Как будет работать телескоп?

Нейтринный телескоп BAIKAL-GVD предназначен для регистрации и исследования потоков нейтрино сверхвысоких энергий от астрофизических источников. С его помощью ученые планируют исследовать процессы с огромным выделением энергии, которые происходили во Вселенной в далеком прошлом.

Одной из загадок современной астрофизики является механизм рождения во Вселенной астрофизических нейтрино, в миллиарды раз энергичнее солнечных нейтрино, и Байкальский нейтринный телескоп благодаря своим уникальным характеристикам сможет пролить свет на эту тайну.

• Процесс разработки телескопа?

Первая версия глубоководного нейтринного телескопа на Байкале была развернута в 1998 году. С его помощью проводились измерения частиц нейтрино, рождавшихся в атмосфере Земли.

Результаты исследований привели к созданию на Южном полюсе нейтринного телескопа IceCube. Именно на нем впервые были зафиксированы нейтрино высокие энергии, что подтвердило правильность и перспективность создания сети подобных по размеру телескопов.

Что такое нейтрино?

Нейтрино — прекрасный «рассказчик» об астрофизических катаклизмах. Оно летит сквозь Вселенную, практически никем и ничем не поглощаясь.

Поскольку эта частица нейтральная, магнитными и электрическими полями она не отклоняется, а это значит, что ее источник лежит именно в том направлении, откуда зарегистрировали появление нейтрино.

Источниками долетевших до Земли космических нейтрино служат взрывы сверхновых звезд, черные дыры, активные ядра галактик или двойные звездные системы. Именно поэтому нейтрино — прекрасный инструмент для изучения происходящих в космосе процессов.

Зачем нужен нейтринный телескоп?

Открытие астрофизических нейтрино высоких энергий в 2013 году ознаменовало рождение новой области знаний — нейтринной астрофизики высоких энергий.

Это произошло, когда размещенный на Южном полюсе в толще антарктического льда детектор IceCube впервые зарегистрировал нейтрино с энергией выше 1000 ТэВ. На сегодняшний день экспериментом IceCube в Южном полушарии зарегистрировано более 100 астрофизических нейтрино высоких энергий.

Чтобы детектировать нейтрино со всей небесной сферы, требуется создание нейтринного телескопа гигатонного масштаба в Северном полушарии. Поэтому, начиная с 2015 года, на озере Байкал ведется активное строительство нейтринного телескопа второго поколения Baikal-GVD.

Процесс работы Baikal-GVD

Байкальский нейтринный телескоп — это нейтринный детектор, расположенный в озере Байкал на расстоянии 3,6 км от берега, где глубина озера достигает 1 366 м. Место для установки было выбрано не случайно.

• Во-первых, в этом районе проходит железная дорога и протянуты линии электропередач. В 55 км от детектора находится крупный промышленный и научный центр — город Иркутск.
• Во-вторых, вода озера пресная, что предотвращает возможные повреждения оборудования.
• В-третьих, на протяжении двух месяцев в году озеро покрывается прочным ледяным покровом, позволяющим без опасений вести монтажные работы.
• Также Байкале отсутствуют фоновое свечение от К40 и биолюминесценция, которая носит вспышечный характер.
  

При прохождении нейтрино сквозь толщу Байкальской воды есть вероятность, что некоторые из неуловимых частиц все-таки будут остановлены водой. В случае такого взаимодействия образуется либо мюон, либо ливневый каскад из частиц высоких энергий.

И мюон, и ливневый каскад вызывают свечение воды, называемое в физике черенковским излучением — явление, обнаруженное советскими физиками П. А. Черенковым и С. И. Вавиловым.

Такое свечение возникает тогда, когда заряженная частица (например, мюон) движется в воде со скоростью больше, чем скорость света в воде (скорость света в воде уменьшается обратно пропорционально коэффициенту преломления).

Фактически происходит явление, при котором мюон обгоняет свет. Задача детектора — зарегистрировать черенковское излучение и отделить события с астрофизическими нейтрино от остальных возможных событий.

Сколько стоил телескоп?

На проект по строительству было потрачено около 2,5 млрд рублей, он занимает площадь около 0,5 км² и предназначен для поиска источников нейтрино сверхвысоких энергий, в том числе в недрах рождающихся или умирающих галактик.

Исследование этих частиц поможет ученым понять, каким образом возникла и эволюционировала Вселенная в процессе истории.

Подземные детекторы нейтрино

Помимо нескольких подводных нейтринных детекторов, существуют также подземные детекторы, работающие по тому же принципу. Их отличие в том, что для детектирования используется искусственный резервуар со специальной водой.

Также благодаря своему расположению данные телескопы используют земные породы в качестве фильтра частиц, избавляющих детекторы от регистрации стороннего (фонового) излучения, вроде космического.

• Super-Kamiokande

Наибольшим подземным нейтринным детектором является Super-Kamiokande, который располагается несколько севернее Токио, в цинковой шахте на глубине 1 км.

Детектор представляет собой резервуар диаметром 40 м и высотой 42 м, который состоит из нержавеющей стали. Он заполнен 50 000 т очищенной воды. На стенах резервуара находятся 11 146 фотоумножителей, высокая чувствительность которых позволяет зарегистрировать даже один квант света. Постройка Super-Kamiokande была завершена в 1983 году.

• SNO

Еще один детектор, в разы меньший Super-Kamiokande, расположен около канадского города Садбери в шахте на глубине двух километров — Sudbury Neutrino Observatory.

SNO — акриловая сфера диаметром 12 метров и толщиной стенок – 5,5 см, которая заполнена тяжелой водой D₂O и покрыта 9 600 фотоумножителями.

Особенности нейтринного телескопа Baikal-GVD

Байкальский нейтринный телескоп установлен на расстоянии 3,5 км от берега на глубине от 750 до 1 300 м в южной котловине Байкала. Это озеро для размещения телескопа выбрано в связи с тем, что в нем есть участки глубиной до 1 км недалеко от берега и подходящие для установки научного оборудования. Вода Байкала имеет необходимую для экспериментов прозрачность.

Кроме того, озеро около двух месяцев в году покрыто льдом, что значительно облегчает установку и обслуживание телескопа по сравнению с другими проектами, когда телескопы разворачивают с морских судов.

Читать далее

Уран получил статус самой странной планеты в Солнечной системе. Почему?

Люди могут выдерживать очень низкие температуры даже без источников тепла

Физики создали аналог черной дыры и подтвердили теорию Хокинга. К чему это приведет?