13.11.2019
В поисках темной материи на Байкале
Нейтрино сверхвысоких энергий  хранят тайны рождения сверхновых звезд

Объединенная двигателестроительная корпорация Ростеха участвует в проекте создания глубоководного нейтринного телескопа мультимегатонного масштаба на Байкале. Специалистами ОДК разработана технология термообработки экранов оптических модулей телескопа. О том, как на Байкале пытаются «поймать» неуловимую частицу нейтрино, и чем это поможет пролить свет на природу загадочной темной материи и происхождение Вселенной – в материале сайта Ростех.

Нейтрино: пробивные хранители тайн

Плавают байкальские омули и нерпы между странными гирляндами шаров, висящими на металлических струнах в толще воды, и не знают, что эти шары собирают важнейшую информацию из глубин Вселенной. Ее приносят с собой нейтрино – мельчайшие незаряженные частицы, образующиеся во время ядерных реакций и перемещающиеся со скоростью света.

Огромный поток нейтрино ежесекундно поступает на Землю. Не причиняя никакого вреда, через наше тело каждое мгновение проходят триллионы этих частиц. Нейтрино крайне неохотно взаимодействуют с чем-либо и способны проникать практически через любые поверхности и материалы. Поэтому они без препятствий покрывают огромные космические расстояния, сохраняя в себе достоверные сведения о различных процессах из самых дальних уголков Вселенной. Именно эти уникальные данные и интересуют ученых.



Нейтрино, существование которых экспериментально было подтверждено в 1956 году, различаются по происхождению. Некоторые из них образуются при работе атомных электростанций, другие – в атмосфере Земли, третьи – при процессах, происходящих на Солнце. Самые любопытные сведения приносят нейтрино сверхвысоких энергий – они хранят тайны рождения сверхновых звезд.
Нейтрино могут рассказать нам многое. С их помощью можно расширить наше понимание самых ранних стадий эволюции Вселенной, темной материи и темной энергии, процессов создания химических элементов, эволюции звезд, внутренней структуры и состава Солнца и Земли, а также лучше понять сами частицы.

Однако, чтобы расшифровать послание космического информатора, сперва его нужно поймать. Со второй половины XX века ученые придумывают способы регистрации нейтрино. Для каждого типа этих частиц разработаны свои улавливающие устройства, в которых применяются различные методы детектирования. Поймать потоки нейтрино высоких энергий, родившихся за пределами Солнечной системы, можно с помощью глубоководного нейтринного телескопа. Один из таких телескопов с 1990-х годов создается международным объединением ученых на озере Байкал.

Обсерватория под толщей вод

Байкальский подводный нейтринный телескоп – уникальный экспериментальный комплекс, позволяющий ученым-физикам исследовать природные потоки нейтрино. Почему именно Байкал стал базой для размещения телескопа? Во-первых, в самом глубоком озере на планете есть участки глубиной до 1 км, находящиеся недалеко от берега и подходящие для размещения научного оборудования. Во-вторых, воды Байкала обладают необходимой для экспериментов прозрачностью. И в-третьих, около двух месяцев в году озеро покрыто льдом, что значительно облегчает установку и обслуживание телескопа.

Метод глубоководного детектирования частиц впервые был предложен М.А. Марковым в 1960 году и заключается в регистрации черенковского излучения, которое возникает при взаимодействии нейтрино с прозрачной природной средой. Это излучение может быть зафиксировано светочувствительными детекторами и в дальнейшем всесторонне изучено.

В 1998 году на Байкале была развернута первая версия телескопа, это был первый в мире глубоководный нейтринный телескоп. Он состоял из 192 фотодетекторов, размещенных на глубине около 1 км, и занимал объем 100 000 кубометров. Здесь проводились измерения частиц нейтрино, рождавшихся в атмосфере Земли. Результаты работы оказали влияние на науку и привели к созданию на Южном полюсе крупнейшего на данный момент нейтринного телескопа IceCube объемом 1 куб. км. Именно на нем впервые были зафиксированы нейтрино высоких энергий, что ознаменовало собой рождение нового направления в науке – нейтринной астрономии.

Следующим шагом стала разработка телескопа нового поколения BAIKAL-GVD повышенной мощности. Этот телескоп изначально задумывался как модульная конструкция, что дало возможность запускать его поэтапно, уже на первой стадии получая сведения о нейтрино, а также практически неограниченно наращивать и модифицировать весь комплекс в будущем.
В 2015 году был спущен под воду и активирован первый кластер телескопа, получивший название «Дубна». К настоящему времени в работу запущены пять кластеров, в которых работает 1440 оптических модулей. По окончании постройки к 2021 году байкальский телескоп будет включать в себя восемь кластеров и станет одним из трех крупнейших нейтринных телескопов в мире.

Как устроена «сеть» для ловли нейтрино

Каждый кластер телескопа BAIKAL-GVD состоит из восьми вертикальных тросов-стрингов, на которых, как на гирляндах, висят оптические модули – по 36 на каждом. Расстояние между модулями – 15 метров. Кластеры работают как самостоятельные установки, но логически и физически связаны с остальными. Модули организованы в секции по 12 штук, каждая секция отправляет сигналы в свой центральный мастер-модуль. Здесь информация обрабатывается и передается в основной модуль на центральном тросе, который уже, в свою очередь, по оптическому кабелю отправляет ее на компьютеры береговой базы. Через эти же цепочки происходит управление всем комплексом.

Снизу тросы удерживаются тяжелыми якорями, а сверху – буями. Вся система при этом относительно подвижна. Кроме того, каждый трос-стринг оснащен акустическими датчиками и передатчиками, которые контролируют положение оптических модулей в каждый момент времени.



Самая важная часть телескопа − оптический модуль − представляет собой две стеклянные полусферы. Форма сферы выбрана для эффективной защиты от давления столба воды на глубине. Внутри сферы находится фотоэлектронный умножитель, погруженный в гелеобразную жидкость. Гель обеспечивает контакт умножителя и полусферы. Также в модуле находятся источник высокого напряжения, различные датчики и устройства контроля.

Как уже было сказано выше, нейтрино могут рождаться и в атмосфере Земли, и внутри Земли. Задача работы телескопа – отделить подходящие частицы, прилетевшие к нам именно из дальнего космоса, так как они наиболее интересны для науки.

Значимым элементом модуля является экран, защищающий датчики от воздействия магнитного поля Земли. Без этой защиты умножитель просто не смог бы работать. По заказу Объединенного института ядерных исследований такие защитные экраны изготавливаются на московском производственном комплексе «Салют» (входит в Объединенную двигателестроительную корпорацию Ростеха).



Экраны отжигаются в вакуумных печах из пермаллоя − прецизионного сплава железа и никеля с магнитно-мягкими свойствами. Цикл производства такой продукции занимает 12 часов. За это время материал приобретает уникальные свойства, позволяющие использовать его для высокотехнологичных научных исследований космоса. Всего для проекта глубоководного нейтринного телескопа будет изготовлено более 2 тысяч специальных экранов.

Уже первые результаты, полученные на байкальском комплексе, показали, что телескоп успешно регистрирует нейтрино высоких энергий. Значит, проект удался и должен развиваться, чтобы ученые могли и дальше расширять наши знания о Вселенной. Уникальная байкальская вода, работа физиков разных стран и разработки отечественных предприятий позволили создать один из мощнейших нейтринных телескопов в мире, который способен продвинуть далеко вперед отечественную и мировую науку.

Фото: BAIKAL-GVD
^