Обнаружение нейтрино стало открытием, всю важность которого нам трудно оценить до сих пор – просто потому, что мы пока не знаем всех его возможностей. Но мы можем предположить, что именно эта частица поможет людям пролить свет на многие проблемы космологии и откроет неизвестные страницы развития Вселенной. Только для этого ее нужно поймать.
В начале текущего столетия ученым удалось обосновать и подтвердить три типа этой частицы: электронный, мюонный и тау-нейтрино. В 2015 году ученые Такааки Кадзита (Kajita Takaaki) и Артур Макдональд (Arthur Bruce McDonald) были удостоены Нобелевской премии по физике «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу». Теперь мы знаем, что верхняя экспериментальная оценка суммы масс всех типов частицы составляет всего 0,28 электрон-вольта – это в несколько миллионов раз меньше массы нейтрона. Также известно, что с помощью нейтрино можно просвечивать Землю, чтобы понять ее состав. Можно мониторить атомные реакторы и понимать, какие процессы в них происходят. Кроме того, концентрация нейтрино во Вселенной довольно высока и способна значительно повлиять на ее среднюю плотность – таким образом, именно нейтрино, может быть, способен объяснить нам феномен скрытой массы.
Но вопросы еще остаются. Как нейтрино взаимодействует с веществами? Чем еще он может быть нам полезен?
Чтобы получить ответы, люди начали строить нейтринные телескопы. В 2004 году недалеко от французского города Тулон в Средиземном море на глубине 2,5 км ученые из Бирмингема, Оксфорда, Шеффилда, инженеры из Франции, Нидерландов, России и Испании расположили нейтринный телескоп ANTARES, строительство которого заняло около 20 лет. Его задача – регистрировать потоки нейтрино сверхвысоких энергий от удаленных астрофизических источников. К основным результатам его работы уже можно отнести методические количественные измерения нейтрино и «родственных» ему частиц-мюонов.
Российские ученые – научная группа МГУ – присоединились к европейским коллегам в 2009 году. Сейчас к их «зоне ответственности» относится обработка данных, полученных телескопом, создание фильтров биолюминесценции, методические исследования, связанные с потоками мюонов различного происхождения, и работы по возможной регистрации нейтрино от сверхновых.
Телескоп обладает не слишком большим объемом детектора: он в десятки раз меньше крупнейшего детектора IceCube на Южном полюсе. ANTARES состоит примерно из 1000 фотоумножителей в 12 вертикальных струнах общей высотой около 350 м. Размещенная на самом дне моря установка улавливает частицы нейтрино, которые приходят из центра Млечного Пути.
Аппарат ANTARES работает по принципу детектирования: ученые регистрируют мюонные нейтрино от астрофизических источников высоких энергий. Основная проблема при получении информации о потоках нейтрино – их малое сечение взаимодействия и, соответственно, малая вероятность обнаружения. Нейтрино не поглощается даже при распространении на огромные расстояния. Еще одна проблема регистрации нейтрино – он может быть нашим, «местным», а может прилететь из далекого космоса. И чтобы понять, какой вид нейтрино мы наблюдаем, требуются чрезвычайно чувствительные инструменты и огромные объемы взаимодействующего с нейтрино вещества. Например, льда, как на Антарктической станции Амундсен-Скотт в нейтринном телескопе IceCube.
Создание нейтринных телескопов дает возможность изучать удаленные и невидимые в других диапазонах объекты Вселенной: квазары, следы сверхновых, черные дыры и др. Многие из процессов, происходящих в далеких галактиках, сопровождаются выбросом протонов, которые генерируют потоки мезонов (нейтральных и заряженных пионов, K-мезонов, μ-мезонов и др.). Эти частицы, в свою очередь, распадаются на мюоны и соответствующие нейтрино. Так как мы имеем дело с большими энергиями, можно считать, что траектории начальных протонов и конечных частиц с большой точностью совпадают. И вуаля! По трекам нейтрино можно определить местоположение в пространстве их источника.
А дальше нам на помощь приходит свойство нашей планеты. Земля является естественным фильтром для всех известных частиц, кроме нейтрино, благодаря его свойству крайне мало взаимодействовать с веществом. Поэтому весь детектор направлен на регистрацию частиц, пролетающих планету насквозь. Для этого все фотоумножители в каждом модуле смотрят вниз под углом 45°.
Пронизывая Землю – то есть, в нашем случае, воду – нейтрино иногда взаимодействуют с частицами окружающей воды. Взаимодействие порождает высокоэнергетичный мюон, сохраняющий направление и испускающий светящееся Черенковское излучение (оно возникает, когда заряженная частица движется в прозрачной среде со скоростью, превышающей скорость света). Его фиксируют струны детектора, чей сигнал через подводный кабель передается на берег.
Рассказывает руководитель российской научной группы проекта ANTARES – заместитель директора по учебной работе НИИЯФ МГУ, доцент кафедры общей ядерной физики Евгений Широков:
– Этот проект – подготовительный для большого средиземноморского телескопа. Со следующего года группа студентов, аспирантов и преподавателей из МГУ приступит к работе над проектом KM3Net, который уж действительно станет самым большим в своей области. По масштабу работ его даже называют вторым сооружением в истории после Великой Китайской стены. KM3Net будет представлять собой вертикальное сооружение с «набором» из 320 тросов длиной 900 м, зафиксированных на дне при помощи якорей и оснащенных буями для поддержания вертикального положения. Поперек тросов закрепят шестиметровые рамы с цифровыми оптическими модулями на концах. Планируется расположить 20 таких этажей из рам, разделенных расстоянием в 40 м; нижний этаж будет находиться в ста метрах от дна моря. Получится своеобразная пространственная решетка из фотоумножителей, которые регистрируют свет от частиц. В воде у них очень большая длина «пробега», и это помогает определить направление на их источник. Поэтому детекторы для фиксирования высокоэнергетичных нейтрино и делают глубоководными. При этом плюс Средиземного моря в том, что на большой глубине его вода показывает лучшие оптические свойства, чем, например, байкальская. (Нейтринная обсерватория на дне озера Байкал – один из проектов-предшественников ANTARESа, также среди его аналогов – зарубежные GALLEX, SNO, HOMESTAKE и NEMO, который фактически стал прототипом кубокилометрового телескопа ANTARES. – Авт.)
Работа ANTARES предусматривает чередование трех циклов, или ранов (от английского run – «бежать»): физического (physics run), калибровочного (calibration run) и пустого (transient run). Средняя продолжительность каждого рана – около четырех часов. С первыми двумя циклами все понятно: в одном регистрируются мюоны, второй используют для калибровки – проверяют работы ФЭУ при помощи лазеров, установленных на дне, фонарей и «нефизических» параметров работы.
А что с последним циклом? Он выставляется в случае невозможности сбора данных детектором – например, при высокой биоактивности. Поэтому ANTARES может использоваться и для «факультативных занятий» – изучения жизни на дне Средиземного моря. Рассказывает Евгений Широков:
– Биоактивность – как ни странно, особая часть нейтринных проектов. Организмы, живущие на дне, как правило, излучают видимый свет, который мешает работе телескопов. Поэтому учет этих факторов тоже необходим, хотя и сложен. Для этого создаются специальные программные «фильтры биолюминесценции». Кроме того, один из сотрудников нашей группы, В. А. Куликовский, создал отдельный фильтр биолюминесценции, который активно используется при работе детектора.
Можно сказать, что отдельным направлением является изучение млекопитающих Средиземного моря – морских котиков и других ластоногих – с использованием акустических детекторов телескопа ANTARES.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
