20.12.2013

Российские физики участвуют в создании крупнейшего глубоководного нейтринного телескопа

Сотрудники НИИЯФ МГУ и кафедры общей ядерной физики физфака МГУ активно участвуют в проектах, связанных с глубоководными нейтринными телескопами в Средиземном море: уже существующими ANTARES, NEMO и строящемся KM3Net.

Нейтрино очень слабо взаимодействует веществом. Это затрудняет его регистрацию и в то же время делает мощным инструментом астрономических исследований. Они долетают до Земли, проходя без изменения сквозь небесные тела и межзвездное вещество, неся информацию о космических процессах, в которых были рождены. Но для надёжной регистрации необходимы детекторы больших размеров, хорошо защищенные от попадания других частиц, способных помешать наблюдениям.

Первые нейтринные телескопы строили под землей, что ограничивало их размер. Выход из положения нашел академик М. А. Марков, предложивший размещать детекторы глубоко под водой, которая служит и фильтром, устраняющим другие частицы, и рабочим веществом. При взаимодействии с другими частицами нейтрино может порождать мюон, который при движении в воде со сверхсветовой скоростью генерирует оптическое черенковское излучение, улавливаемое детекторами.

Первый такой глубоководный нейтринный телескоп работает с 1993 года (на полную мощность с 1998 года) в озере Байкал на глубине 1200 м. В 2008 году в Средиземном море недалеко от Тулона (Франция) на глубине 2400 м заработал нейтринный телескоп ANTARES. Два других средиземноморских проекта вблизи Портопало-ди-Капо-Пассеро (о. Сицилия, Италия) и NESTOR недалеко от г. Пилос (Греция) – скорее полигоны для тестирования оборудования.

Расчеты показывают, что для успешной регистрации нейтрино высоких энергий необходим объём детектора порядка кубического километра (ANTARES имеет объём 0,01 км3). Поэтому сейчас все три коллаборации объединились для создания нейтринного телескопа KM3NeT (КМ3 Neutrino Telescope), который после постройки в 2016-17 годах должен стать крупнейшим в мире с объемом в несколько кубических километров. Он предназначен для регистрации нейтрино, приходящих от звёзд, ядер галактик, сверхновых из различных областей Вселенной. Для работы над новым проектом создан консорциум из 40 институтов 10 европейских стран.

В 2013 году вступил в строй крупнейший на сегодняшний день нейтринный телескоп IceCube объемом 1 км³, расположенный в толще льда на глубине 1500-2500 км вблизи антарктической станции Амундсен-Скотт (США).

Однако даже на такую большую глубину приходит много фоновых мюонов, среди которых скрываются рождённые от нейтрино. Их выделение основано на поиске мюонов, которые идут снизу: Земля задерживает все частицы, кроме нейтрино, проходящих ее насквозь. Можно сказать, что, находясь на дне моря, эти телескопы направлены в землю. Но в этом случае телескоп видит только около половины небесной сферы, и надо иметь по крайней мере два детектора, расположенных в разных полушариях, чтобы для наблюдения было доступно почти все небо. Такой парой станут IceCube и KM3NeT.

В 2018-2019 годах планируется объединить данные двух проектов, получив контроль над нейтринными событиями, происходящими на большей части небесной сферы.

Средиземноморский нейтринный телескоп представляет собой набор из 320 тросов длиной по 900 метров, которые закрепят якорями и оснастят поплавками. Поперёк тросов будут закреплены шестиметровые рамы с цифровыми оптическими модулями на концах. Планируется расположить 20 таких этажей из рам, разделённых расстоянием в 40 метров. Нижний этаж будет находиться в ста метрах от дна моря. Каждый оптический модуль – это пластиковая сфера с фотоэлектронным умножителем и сопутствующей электроникой внутри. В KM3NeT будет до 12 000 оптических модулей. Для сравнения: у Байкальского телескопа их около 200, у ANTARES – около 500, а в IceCube – пять с небольшим тысяч. Первую тестовую «нить» нового телескопа опробовали в 2013 году.

Физики из НИИЯФ МГУ участвуют в проектах глубоководных нейтринных телескопов с 2005 года, занимаясь в первую очередь моделированием и оптимизацией архитектуры нейтринных телескопов. В частности, необходимо, чтобы оптические модули хорошо «видели» друг друга и в то же время были максимально разнесены в пространстве для увеличения эффективного объёма телескопа и для сокращения числа оптических модулей, чтобы удешевить конструкцию, поскольку каждый модуль стоит 20-25 тысяч евро. Российские ученые принимали участие в создании прототипов фотоэлектронных умножителей для NEMO.

Ещё одна задача, которой занимаются российские физики в рамках проекта ANTARES, – создание фильтра биолюминесценции. Он должен отсеивать свет, испускаемый различными глубоководными живыми существами, который может стать помехой для оптических детекторов.

Российские исследователи заняты и разработкой нового направления – нейтринной гидроакустики. Её идея заключается в регистрации нейтрино по акустическому сигналу, который возникает при его взаимодействии с веществом в воде. Преимущество этого метода в том, что звук распространяется гораздо дальше черенковского излучения, на основе которого работают сегодняшние детекторы. Применение акустических датчиков позволит создать нейтринный телескоп объемом в сотни кубических километров.

Алексей Понятов

Источники:

1. nkj.ru