Год науки и технологий, 2021-й, начался с торжественного запуска Байкальского нейтринного телескопа. Этому предшествовала 40-летняя работа ученых на этом проекте, который сейчас является вторым по величине в мире после американского IceCube в Антарктиде. Сейчас проект представляет собой восемь кластеров гирлянд, на которых расположены 2304 фотоумножителя, которые регистрируют события прихода нейтрино сверхвысоких энергий. Но развивался проект очень постепенно.
Изучать природные потоки нейтрино начали в 1960-х годах, и первыми под эксперименты исследователей попали частицы, возникающие внутри Солнца. Также ученых интересовали нейтрино сверхвысоких энергий, приходящих к нам из далеких галактик. Но как «поймать» их, если все физические приборы регистрируют только заряженные частицы? Можно зарегистрировать события столкновения нейтрино с ядрами атомов.
«Вся нейтринная астрономия основана на идее, высказанной академиком Моисеем Александровичем Марковым в 1959 году: о регистрации черенковского света заряженных частиц. Нейтрино никак не проявляется, пока не провзаимодействует с чем-то и не родит заряженную частицу: мюон, электрон, тау-мезон, каскад заряженных частиц — электронов, позитронов, протонов. При движении их со скоростью выше, чем скорость света в воде, возникает сложение световых волн и голубое свечение — эффект Вавилова — Черенкова, который можно зарегистрировать», – рассказывает заведующий лабораторией нейтринной астрофизики высоких энергий Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) чл.-корр. РАН Григорий Владимирович Домогацкий. — Детекторы фиксируют черенковское излучение событий от нейтрино, летящих со всех сторон. Однако сверху приходят мюоны, образованные при распаде пи-мезонов, которые рождаются от взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли. Из этого фона очень сложно выделять нужные нам нейтрино. Вот почему мы идем глубоко под воду, лед, под землю — чтобы не мешали те частицы, что сыплются сверху».
Лед определяет успех
В 1960 году академик Моисей Александрович Марков предложил создать в прозрачной природной среде сеть из очень чувствительных приемников, которые бы регистрировали вспышки света, возникающие в результате взаимодействия нейтрино с этой средой. Это может быть вода, лед или соль.
Первыми начали строить свой нейтринный телескоп США в 1976 году (проект DUMAND). Он сооружался на Гавайях в 30-40 км от берега на глубине 5 км. Тогда считалось, что такая глубина необходима для установки. Американцы начали погружение гирлянды фотоумножителей в открытом океане, а поднялся шторм, 10-15-метровые волны, и всю их работу (они успели погрузить 3 гирлянды) выбросило на берег. Затем последовала серия неудачных постановок и в 1993 году финансирование проекта было прекращено. Примерно в то же время США начали работы по созданию телескопа AMANDA (с 1996 года), а потом IceCUBE (с 2005 года) во льдах Антарктиды.
Российские ученые входили в состав коллаборации на Гавайях, но ввод советских войск в Афганистан стал причиной приостановки сотрудничества. Как реакция на невозможность совместной работы российских и американских физиков на Гавайях родилось предложение академика Александра Евгеньевича Чудакова из ИЯИ РАН начать исследовательские работы на Байкале, приступить к разработке методики и созданию действующих относительно небольших детекторов.
В ИЯИ РАН в 1980 году была создана специальная лаборатория для разработки метода глубоководной регистрации элементарных частиц и ориентирующаяся на озеро Байкал как место для создания испытательного полигона крупномасштабных нейтринных телескопов. Григорий Домогацкий был назначен заведующим этой лабораторией. Он привлёк к начавшимся работам других сотрудников ИЯИ АН ССР, а также организовал сотрудничество с Иркутским университетом, Лимнологическим институтом АН СССР (Иркутск) и Томским политехническим университетом. В дальнейшем это сотрудничество продолжало расширяться и стало международным.
В подготовке и проведении первой экспедиции на озеро Байкал, которая прошла в 1981 году, участвовали Григорий Домогацкий, Леонид Безруков (ИЯИ РАН, начальник экспедиции), Юрий Парфенов и Николай Буднев (Иркутский госуниверситет), Павел Шерстянкин (Лимнологический институт, Иркутск), Геннадий Дудкин (Томский политехнический университет), а также студенты.
«Павел Шерстянкин помог достать 300 м кабель-троса (предполагает двоякое использование: на него можно крепить оборудование и при помощи него можно собирать информацию, так как внутри у него протянута медная проволока) на лебедке. Остальное оборудование привезли из Москвы сотрудники ИЯИ РАН. Это были газовые баллоны, порезанные поперек и снабженные оптическими линзами из оргстекла, а также специально созданная электроника. Почему вначале использовали металл, а не стекло? На больших глубинах озера высокое давление: каждые 10 метров глубины добавляют одну атмосферу. 100 метров – это 10 атмосфер, 1000 метров – это 100 атмосфер. Погружать оборудование планировалось на глубину до 1000 м. Поэтому первые оптические модули сделали буквально из подручных материалов», – рассказывает Леонид Безруков.
Для таких исследований не нашлось готового оборудования, поэтому учёным пришлось разработать «с нуля» практически все, вплоть до систем запуска электродвигателей в лебедках. И экспедиции на Байкал стали ежегодными: с февраля по начало апреля физики выезжали туда.
В первую же экспедицию, в 1981 году, было сделано неожиданное открытие, достойное, тем нее менее, журнала Nature или Science. Было обнаружено собственное свечение байкальских вод. До того считалось, что пресная вода не светится. Но оказалось, что это не так. Хотя механизм этого свечения до сих пор до конца не ясен. Хемилюминесценция – основная гипотеза происхождения этого свечения. Свечение представляет собой однофотонное излучение, сопровождающие некоторые реакции окисления органики.
Интересно, что точно так же, при строительстве в Антарктиде нейтринного телескопа IceCUBE была неожиданно открыта аномальная прозрачность глубинного льда. Длина поглощения света во льду Антарктиды доходит до 100 метров, тогда как в водной среде озера Байкал 20-22 метра.
Необходимые новинки
Когда стало понятно, что первоначальные оптические модули из железа все-таки не подходят, а нужно заменить их на стеклянные шары с большими фотоумножителями внутри, произошла еще одна знаковая история. Необходимые фотоумножители разработала фирма Philips, в Советском Союзе их не производили.
«А у нас был необычный техник Паша Васильев, который знал, как в Министерстве электронной промышленности СССР принимаются решения. Оказывается, там был отдел новых разработок, куда было достаточно написать письмо, что в СССР чего-то нет, а нужно, как давали разнарядку начать разработку этого изделия, – рассказывает Леонид Безруков, начальник экспедиции в 1981-89 г.г., впоследствии вышедший из проекта. – И вот, мы написали письмо, что за рубежом производятся большие фотоумножители, и нам нужны такие. Как буквально через неделю нас вызывают в Минэлектронпром, мы берем с собой образец такого фотоумножителя, садимся в такси и выезжаем. В отделе новых разработок нас встречает начальник отдела, и мы сразу идем к министру. Отворяется дверь – наш «патрон» выставляет фотоумножитель на стол и говорит: «Вот». Министр смотрит, спрашивает: «А нужно?». Мы говорим: «Да», и аудиенция заканчивается. На следующий день приходит распоряжение заняться изготовлением таких деталей в Новосибирске».
В результате совместно с ОКБ «Экран» (Новосибирск) и под общим руководством Леонида Безрукова был разработан высокочувствительный гибридный фотоприёмник Квазар-370 с диаметром фотокатода 370 мм. На основе этого отечественного фотоприёмика был создан глубоководный нейтринный телескоп НТ-200, содержащий около 200 таких фотоприёмников. Эти фотоприёмники позволили также начать исследования по поиску локальных гамма-источников на небесной сфере в Тункинской долине, расположенной недалеко от озера Байкал.
Фотоприёмник должен помещаться в прочный корпус, который обеспечивает необходимые условия длительной работы измерительной аппаратуры на байкальских глубинах (до 1400 м). Для этого необходимы сферы из стекла толщиной 1 см. Такие стеклянные сферы были специально сделаны в московском НИИ электровакуумного стекла. Стекло ведь особенный материал: не кристалл и не жидкость. Грубо говоря, твердая жидкость. И нужно было создать такое стекло, которое бы работало в условиях сверхчистой воды – а байкальская вода приближается к дистилляту – это очень агрессивная среда. Если по ошибке выпить дистиллят, можно умереть, потому что все минералы из организма начинает забирать эта вода. И точно также со стеклом, помещенным в сверхчистую воду: если у вас там есть минералы – калий, натрий – то через какое-то время стекло само разрушится в этой байкальской воде. Так вот стеклянные сферы НИИ электровакуумного стекла не разрушаются.
Первое нейтринное событие, пришедшее из нижней полусферы, было зарегистрировано на нейтринном телескопе НТ-36 с 36 фотоумножителями.
В начале 90-х были уже завершены необходимые расчеты и выполнены проектные работы, налажено производство глубоководных оптических модулей детектора на основе умножителей «Квазар-370», разработаны и испытаны все комплектующие элементы телескопа и всей системы глубоководных кабельных коммуникаций. В зимние экспедиции 1991-го, 1992-го годов был выполнен монтаж несущего каркаса, а в 1993-м первых гирлянд оптических детектора НТ-200. Монтаж гирлянд выполнялся поэтапно, в 1993 – 1998 годах в условиях ежегодных зимних экспедиций на Байкал. В работах участвовало практически все мужское население лаборатории и групп других организаций – участников Байкальской коллаборации.
Время для реализации в России проекта создания крупномасштабной установки, основанной практически полностью на отечественных комплектующих (кроме глубоководных калибровочных лазерных источников, делавшихся в Германии), было не самое располагающее. Проблемой постепенно становилось все, вплоть до продуктов питания в экспедиции. И неизвестно, на сколько лет могла бы затянуться работа по созданию детектора, если бы не решительная позиция немецкого участника проекта – DEZY, руководство которого нашло возможность резко увеличить свой вклад в финансовую поддержку Байкальского проекта в эти самые трудные для проекта годы.
Созданная глубоководная аппаратура была на переднем крае мировой науки. В 1996 году оптические модули были полностью отечественные, только маленькие конденсаторы были немецкие. Однако в целом вклад немецких ученых в проект был весьма значительным. Группа немецких физиков во главе с Кристианом Шпирингом активно включилась в работу над НТ-200, взяв на себя задачу создания глубоководного калибровочного источника света на основе газового лазера.
По мере того, как разворачивали детектор НТ-200, стало понятно, что он регистрирует подавляющее количество событий от нейтрино, генерируемое космическими лучами в атмосфере Земли. Выделить события от астрофизических источников на этом фоне невозможно. Для этого требуется создание детектора существенно большего эффективного объема. Первое десятилетие 2000-ных годов был разработан проект, разработаны и прошли натурные испытания элементы нового детектора НТ-1000, впоследствии получившего название Baikal Gigatone Volume Detector (или Baikal-GVD).
К 2014 году в работу активно включился крупный исследовательский центр: Объединенный институт ядерных исследований (Дубна).
«Совместная работа двух институтов по проекту развивается эффективно. Сейчас у нас восемь кластеров — это 2304 фотоумножителя, эффективный объем — 0,4 кубических километра. В прошлом году сделали один кластер, много внимания уделили ремонту неисправностей. Если ничего экстраординарного не произойдет, зимой поставим два кластера по 288 оптических модуля каждый. Этот темп сохраним и дальше. К 2024-му доведем до 0,7 и после — до 1,5 кубических километра», – рассказывает Г. В. Домогацкий.
Так что работа не останавливается, и впереди у физиков – новые открытия.
Уже сейчас Baikal-GVD зарегистрировал первые астрофизические (не атмосферного происхождения) нейтрино очень большой энергии. Обработка информации с Baikal-GVD сейчас происходит быстро, что позволяет искать события, связанные по времени и направлению прихода из небесной сферы с событиями Антарктического нейтринного телескопа IceCUBE. Такое первое событие только что найдено, что является началом нового этапа нейтринной астрономии.
28.12.2021
Нет комментариев