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?