Нейтринные телескопы для чего

В России создан самый большой нейтринный телескоп. Что это и для чего он нужен?

На озере Байкал заработал телескоп Baikal-GVD для улавливания нейтрино. Так называются частицы, которые образуются в ходе ядерных реакций и обладают способностью проникать даже через самые сложные объекты. Например, нейтрино может пройти через слой жидкого водорода толщиной в тысячу световых лет. Эти частицы доходят до Земли из разных уголков Вселенной и могут рассказать многое о строении и возникновении космоса. Однако, этих частиц очень мало и чтобы их «выловить» ученые используют толстый слой льда, причем очень большой площади. Создавать и содержать огромный бассейн специально для работы телескопа очень дорого, поэтому ученые используют естественные водоемы. Рассказываем, как работает телескоп Baikal-GVD и для чего он нужен. Как всегда — только самое важное, что нужно знать.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Оптический модуль телескопа Baikal-GVD

Из чего состоит телескоп Baikal-GVD?

Строительство телескопа Baikal-GVD началось в 2015 году и на это потребовалось 2,5 миллиарда рублей. Устройство состоит из совокупности глубоководных станций и прикрепленных ко дну байкала стальных тросов. Станции, именуемые как вертикальные гирлянды, удерживаются на глубине около 20 метров при помощи специальных поплавков. К тросу, на расстоянии 15 метров друг от друга, подвешены 36 оптических модулей. Также в состав телескопа входят четыре электронных модуля для питания электричеством, сбора данных, управления телескопом и выполнения других задач. Вдобавок ко всему, есть несколько так называемых гидроакустических модулей, которые нужны для удерживания оптических модулей в нужном положении. Станции объединены в группы, которые соединены с Береговым центром.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Конструкция оптического модуля

Интересный факт: так как для работы телескопа очень важен лед, работать он сможет только зимой.

Как работает нейтринный телескоп?

Но главными элементами телескопа являются не оптические модули, а лед на поверхности Байкала. Аппарат «улавливает» частицы нейтрино, которые прилетают с обратной стороны Земли. Частицы пролетают через всю мантию, ядро и другие слои планеты. В один момент из них рождается следующая частица — разряженный мезон. Если зарождение происходит во льду, оно испускает излучение, которое и могут уловить ученые. Как можно понять, это происходит крайне редко и поймать их очень сложно. Но у Байкала очень большая площадь и вероятность улова многократно увеличивается.

Коротко о том, как работает Baikal-GVD

Это далеко не первый нейтринный телескоп в мире — самый большой расположен на территории Антарктиды и называется IceCube. Долгое время он был единственным, кто может не только улавливать частицы, но и определять координаты их появления. Точность распознавания источника нейтрино в телескопе IceCube составляет 10-15 градусов. Но толщина льда Байкала позволяет увеличить точность до 4 градусов. К тому же, на Байкале нет светящихся микроорганизмов и сильных волнений воды, что еще больше способствует получению более точных данных.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Нейтринный телескоп IceCube

Телескопы IceCube и Baikal-GVD будут смотреть на разные части неба и тем самым дополнять друг друга. Байкальский телескоп будет ловить нейтрино, пронизывающие Землю с Южного полюса и выходящие в Северном полушарии. А телескоп в Антарктиде фиксирует частицы, пронизывающие планеты с Севера и выходящие на Юге. Благодаря совместной работе телескопов, ученые смогут наблюдать сразу за большим количеством небесных объектов. Из Байкала будет видна Большая Медведица, а из Антарктиды — Магеллановы Облака.

Зачем нужно изучать нейтрино?

Ученые уверены, что нейтрино могут прилететь из недр рождающихся и умирающих галактик и нести с собой информацию о процессах, которые происходят во Вселенной. Есть надежда, что изучение этих частиц поможет узнать больше об эволюции галактик и других космических объектов. Также российские ученые надеются, что благодаря нейтрино им удастся следить за темпом термоядерных процессов, происходящих в недрах Солнца. Однако, ожидать быстрых результатов точно не стоит. Опыт использования других подобных телескопов показывает, что на обнаружение частиц могут уйти годы.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Нейтрино могут раскрыть тайны Вселенной

Ссылки на интересные статьи, смешные мемы и много другой интересной информации можно найти на нашем телеграм-канале. Подпишитесь!

Другие нейтринные телескопы также расположены на территории Средиземного моря, Китая и Японии. Впервые же частицы нейтрино были выловлены в 1970-е годы, при помощи телескопа в толще кавказской горы Андырчи. Однако, чтобы обнаруживать частицы нейтрино с большей точностью, была необходима более чистая вода. Именно из-за этого в 1990 году и было принято решение создать телескоп на Байкале. Тогда это была первая версия, но теперь заработала более совершенная.

Источник

Нейтринная обсерватория на дне Байкала

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Нейтрино — это двигающиеся со скоростью света, нейтральные частицы. До недавнего времени считалось, что их масса равна нулю. Экспериментальное исследование этих частиц чрезвычайно затруднено, поскольку нейтрино имеют очень маленькое сечение взаимодействия с веществом. Для них проницаемо практически все, они беспрепятственно преодолевают гигантские расстояния и доставляют на Землю информацию о процессах, происходящих во всех частях Вселенной. Поэтому сегодня нейтрино-объект изучения мощных научных лабораторий во всех странах мира.

Верхние слои атмосферы постоянно бомбардируются частицами, прилетающими из космоса (в основном это протоны). Энергии их таковы, что они порождают цепочки ядерных реакций, одним из продуктов которых могут быть нейтрино. Источником нейтрино служит еще Солнце. Именно солнечные нейтрино помогают понять процессы, происходящие внутри Солнца и других звезд. И, наконец, следует сказать о нейтрино сверхвысоких энергий, потоки которых возникают, например, при взрывах сверхновых.

Для регистрации различных нейтрино строятся соответствующие установки, которые отличаются конструкцией, размерами и местоположением, в соответствии с тем, какой метод детектирования они осуществляют и на какую энергию частиц рассчитаны.

Озеро Байкал в России предоставляет учёным идеальную среду для наблюдения нейтрино, потому что эти частицы излучают видимый свет при прохождении через прозрачную воду. Глубина озера также может защитить детекторы от излучения и помех.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

«Рыбалка» началась

13 марта 2021 года состоялась официальная церемония запуска нейтринного телескопа Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector). Это крупнейшая подобная установка в Северном полушарии и одна из самых больших в мире (конкуренцию ей может составить только инструмент IceCube, сооруженный в Антарктиде).

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Один из оптических модулей

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

«Мы ожидаем, что скоро все вместе поймем Вселенную, мы раскроем ее историю, то как зарождались галактики», — заявил журналистам министр науки и высшего образования России Валерий Фальков. Он отметил, что это также важно для региона, поскольку наука является одним из двигателей регионального развития.

Директор Института ядерных исследований РАН Максим Либанов сообщил журналистам, что в проект вложено около 2,5 млрд рублей. Планируется развивать и дополнять проект. К 2030 году, если в мире не будут построены новые более крупные телескопы, Baikal-GVD станет крупнейшим на Земле.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Телескоп состоит из нескольких кластеров по восемь вертикальных гирлянд (тросов, на которых подвешены фотодетекторы). Одна такая гирлянда несет 36 фотодетекторов. Таким образом, всего в одном кластере 288 датчиков — больше, чем во всем НТ-200.
Первый такой кластер был запущен еще в 2016 году и тогда же начал сбор научных данных. В последующие годы добавлялись все новые кластеры и тоже сразу же включались в работу. Так что состоявшаяся недавно церемония открытия — в известной мере условность, ведь команда Baikal-GVD охотится за нейтрино уже несколько лет.

Всего в телескопе на данный момент семь кластеров, но уже в апреле текущего года планируется добавить восьмой. Тогда в установке будет 64 гирлянды и более 2300 фотодетекторов — объем в 0,4 кубического километра, в котором он способен «видеть» вспышки и идентифицировать частицы. В перспективе планируется довести эффективный объем телескопа до кубического километра.

«Никогда не упускайте шанс задать природе какой-либо вопрос. Никогда не знаешь, какой ответ получишь» — сказал 80-летний Григорий Домогацкий, российский физик, который в течение 40 лет возглавлял создание этого подводного телескопа.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Почему Байкал?

Исследователей привлекла не только глубина огромного водоема, позволяющая установить большой детектор. Вода Байкала очень прозрачна (видимость составляет до 20 метров). Кроме того, всю зиму поверхность озера покрыта толстым надежным льдом, через лунки в котором удобно опускать в воду оборудование. На глубине же зимой и летом царит температура +4°C, в самый раз для стабильной работы аппаратуры.

Поэтому именно на Байкале был сооружен первый в истории подводный телескоп, зафиксировавший космические нейтрино — НТ-200. Он был создан коллаборацией из нескольких российских НИИ во главе с Институтом ядерных исследований (ИЯИ РАН) в сотрудничестве с германским исследовательским центром DESY. Строительство НТ-200 началось в 1993 году, а уже через год телескоп зарегистрировал первые нейтрино. В 1998 году сооружение телескопа закончилось.

Этот инструмент получил интересные результаты. Но его скромные масштабы (всего 200 фотодетекторов, регистрирующих черенковское излучение) никак не могли удовлетворить астрономов. Для масштабного исследования космоса нужны и инструменты космического масштаба.

Поэтому была образована международная научная коллаборация «Байкал» во главе с ИЯИ РАН и Объединенным институтом ядерных исследований для строительства Baikal-GVD.

Домогацкий сказал, что его команда уже обменивается данными с охотниками за нейтрино в других местах и ​​что она нашла доказательства, подтверждающие выводы IceCube о нейтрино, прибывающих из космоса. Тем не менее он признает, что проект «Байкал» значительно отстает от других в разработке компьютерного программного обеспечения, необходимого для идентификации нейтрино в режиме, близком к реальному времени.

Несмотря на значимость проекта, он по-прежнему имеет ограниченный бюджет — почти все из примерно 60 учёных, работающих с телескопом, обычно проводят февраль и март в своем лагере на Байкале, устанавливая и ремонтируя его компоненты. IceCube, напротив, включает около 300 учёных, большинство из которых никогда не были на Южном полюсе.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Гирлянды индивидуальных детекторов нейтрино, составляющие Байкальскую обсерваторию

Как ловить?

Байкальский телескоп смотрит вниз, через всю планету к центру нашей галактики и дальше, по сути используя Землю как гигантское сито. По большей части, более крупные частицы, ударяющиеся о «противоположную сторону» планеты, в конечном итоге сталкиваются с атомами.

Идея нейтринного телескопа обсуждалась еще в 1970-х годах, работающего в реальном времени благодаря эффекту Вавилова–Черенкова. «Сердце» такого телескопа — это огромная масса прозрачного вещества (воды или льда). Когда нейтрино врезается в протон атомного ядра, тот превращается в нейтрон и испускает другую частицу — мюон. Тот тоже врезается в какое-нибудь атомное ядро, и так далее. В результате рождается целый каскад заряженных частиц, движущихся сквозь воду или лёд быстрее света.

Но как это возможно? Разве скорость света — не предельно возможная по законам физики (причина неутолимой печали для всех, кто мечтает о межзвёздных путешествиях)? Да, но лишь пока речь идет о скорости света в вакууме. А в любой другой среде свет движется медленнее и его вполне можно обогнать. Когда же заряженная частица движется сквозь среду быстрее света, она сама испускает свет (это и называется эффектом Вавилова–Черенкова). Такое свечение и фиксируют специальные датчики-фотодетекторы.
Поскольку нейтрино очень редко сталкиваются с атомными ядрами, объем воды или льда должен быть огромным.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

«Байкал» — северный напарник

Предприятие на Байкале — не единственная попытка охоты за нейтрино в самых отдаленных уголках мира. Десятки приборов ищут частицы в специализированных лабораториях по всей планете. Но новый российский проект станет важным дополнением к работе IceCube, крупнейшего в мире нейтринного телескопа, американского проекта стоимостью 279 миллионов долларов, который охватывает около четверти кубической мили льда в Антарктиде.

Используя сетку световых детекторов, аналогичную байкальскому телескопу, IceCube идентифицировал в 2017 году нейтрино, которое, по словам учёных, почти наверняка пришло из сверхмассивной черной дыры. Это был первый случай, когда учёные определили источник дождя высокоэнергетических частиц из космоса, известного как космические лучи, — прорыв в нейтринной астрономии, которая остается в зачаточном состоянии.

«Это как смотреть на ночное небо и видеть только одну звёзду», — сказал Фрэнсис Л. Халзен, астрофизик из Университета Висконсина в Мэдисоне и директор IceCube, описывая текущее состояние «охоты на призрачных частиц». Ранние работы советских учёных вдохновили Хальзена в 1980-х годах на создание детектора нейтрино во льдах Антарктики.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Исследователей Вселенной интересуют нейтрино с очень высокой энергией: 60-100 тераэлектронвольт. Только такие частицы можно надежно выделить из потока нейтрино, рождающихся в атмосфере Земли под действием космических лучей. По словам руководителя проекта Baikal-GVD члена-корреспондента РАН Григория Домогацкого, при восьми работающих кластерах можно ожидать регистрации четырех–пяти подобных частиц в год. Для сравнения: за последние десять лет IceCube «поймал» их около сотни.

Как и сами нейтрино, проекты по их изучению не признают границ. Baikal-GVD и IceCube входят в консорциум «Глобальная нейтринная сеть» (Global Neutrino Network). Его третий участник — сеть KM3NeT, строительство которой сейчас ведется в Средиземном море у берегов Франции, Италии и Греции. Пока оно находится в начальной стадии: установлено лишь несколько гирлянд с фотодетекторами. Но в перспективе это будет очень масштабный инструмент.

Антарктида, Байкал и Средиземноморье довольно удалены друг от друга. Благодаря этому система из трех нейтринных телескопов приобретает своего рода стереоскопическое зрение, позволяющее точнее определять направление на источник нейтрино.

Зафиксировав интересное событие, астрономы могут сразу же указать его координаты своим коллегам, работающим с оптическими и другими телескопами. Подобное «быстрое наведение» давно практикуется астрономами, изучающими скоротечные процессы. Так что Baikal-GVD вливается в тесную компанию самых разных проектов, объединенных общей целью — раскрыть тайны Вселенной.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

«Нейтрино путешествует по Вселенной, не сталкиваясь практически ни с чем и ни с кем», — сказал Домогацкий. «Для него Вселенная — прозрачный мир».

На правах рекламы

VDS для любых целей — это именно про виртуальные серверы от нашей компании. Сконфигурируйте собственный тариф в пару кликов, устанавливайте любую операционную систему и абсолютной любой софт.

Источник

Нейтринные телескопы

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чегоИзучение различных космических явлений, а также тел, связанных с ними, происходит посредством регистрации частиц, излучаемых указанными объектами. Достигая Земли, такие излучения могут быть зарегистрированными учеными при помощи разного типа телескопов.

Разбираемся что же такое нейтрино

Поток протонов и более тяжелых ядер могут достигать огромных энергий (10 21 эВ). Однако по причине того, что эти частицы имеют электрический заряд – они взаимодействуют с магнитосферой Земли и теряют часть своей энергии, а также информацию о траектории. В силу данного явления определить источник и природу этих частиц становится невозможным.

К незаряженным частицам, которые можно принять из космоса относятся фотоны. И хотя астрономы наблюдают их в очень широком диапазоне, все же фотоны высоких энергий (>100 ГэВ) слишком быстро поглощаются и не позволяют определить их источник. По этой причине дальность видимости астрономов ограничена некоторым расстоянием и в дальние области Вселенной заглянуть не удается.

Материалы по теме

Атмосфера Земли

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Однако, существует еще одна частица, которая не имеет заряд и при этом слабо взаимодействует с веществом – нейтрино. Такие частицы рождаются во взаимодействиях ядер и протонов с веществом тела-источника. В силу слабого взаимодействия с любыми материалами и электромагнитным полем нейтрино способны беспрепятственно путешествовать на огромные расстояния, при этом не меняя своей траектории. Эти свойства нейтрино дают ученым возможность наблюдать за дальними уголками Вселенной посредством регистрации и исследования прилетающих из космоса нейтрино.

Можно провести сравнение с видимым светом Солнца и наблюдением за ним при помощи основного оптического инструмента человека — глаза. Как только Солнце заходит за горизонт, то видимый свет, который не способен проходит сквозь Землю, не доходит до зрачка глаза и не может быть замечен человеком. Однако, если бы глаз улавливал не свет, а нейтрино, излучаемое Солнцем, то человек мог бы увидеть Солнце буквально сквозь Землю, так как нейтрино способны пролетать сквозь Землю. По этой причине ученые способны увидеть намного больше информации о космических процессах и телах при помощи инструментов, способных регистрировать нейтрино – нейтринных телескопах.

Регистрация нейтрино посредством черенковского излучения

Но конструирование инструмента, способного уловить такие «неуловимые» частицы как нейтрино – совершенно непростая задача. Ведь как уже было сказано ранее – эти частицы практически не взаимодействуют с окружением.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Моисей Марков — родоначальник изучения нейтрино

Моисей Марков – советский физик-теоретик, который провел немало работ в области физики нейтрино, обосновал возможность наблюдения нейтрино в подземных обсерваториях. В 1960-м году Моисей Александрович предложил регистрировать нейтрино в озерах и океанах – глубоко под водой. Это возможно посредством так называемого черенковского излучения. Дело в том, что скорость света при прохождении сквозь воду несколько падает в силу взаимодействия фотонов с водой. В это же время нейтрино в результате малых взаимодействий с водой порождает множество заряженных частиц, которые имеют высокую энергию и движутся сквозь воду быстрее, чем фотоны – то есть чем свет, который движется в воде.

В случае, когда заряженная частица движется сквозь прозрачную среду со скоростью больше скорости света в этой среде – она излучает большое количество фотонов, которые можно зарегистрировать. Это явление и получило название — эффект Вавилова — Черенкова.

Таким образом, пролетающие сквозь воду нейтрино, при взаимодействии со средой выделяют заряженные частицы вроде мюонов (в 100-200 раз тяжелее электрона) или целые каскады частиц, состоящих из электронов и позитронов. Эти заряженные частицы движутся в воде со скоростью больше скорости света в воде, а потому выделяют огромное количество фотонов, которые и улавливаются нейтринными телескопами.

В силу «экзотических» особенностей регистрации нейтрино, нейтринные телескопы совсем не похожи на оптические или радио, а скорее напоминают какие-то установки, используемые в физике элементарных частиц. Регистрация производится посредством фотодетекторов, улавливающих то самое черенковское излучение. Для усиления данного излучения в детекторы также должны входить фотоэлектронные умножители – приборы, усиливающие поток фотонов в 10 000 раз.

Подводные нейтринные телескопы первого поколения

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

С момента предложения указанной концепции инструмента, регистрирующего нейтрино, в США началась разработка подобного телескопа. В 1970-х обсуждалась целесообразность такого проекта, а в 1980-х был разработан проект DUMAND. Согласно плану, устройство должно было иметь около 20 000 умножителей, равномерно расположенных в кубическом километре в океане, около берегов Гавайи. Подводные структуры таких грандиозных масштабов ранее не создавались и по этой причине реализация американского нейтринного телескопа происходила довольно медленно. В 1988-м году количество фотоумножителей телескопа было уменьшено до 216-ти, которые должны были располагаться на девяти лентах, похожих на гирлянды. Первая из этих гирлянд была установлена в 1993-м году, однако конструкция пропустила воду и коннектор, связывающий телескоп с берегом претерпел короткое замыкание и вышел из строя. Долгая реализация проекта, а также неудача при первой установке вынудила власти США прекратить финансирование данных исследований.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Схема работы НТ-200

Параллельно с этими событиями происходила разработка нейтринного телескопа в СССР. В 1980 для этих целей было решено использовать озеро Байкал, который имеет достаточную глубину, а также очень прозрачную воду. Для решения поставленной задачи была создана коллаборация под названием «Байкал», в которую вошло несколько институтов, в том числе Институт ядерных исследований РАН (тогда просто Академии наук). В 1994-м году развертка НТ-200 на дне Байкала была окончена. Нейтринный телескоп содержал почти 200 оптических модулей (196), и в том уже году смог зарегистрировать первые нейтрино.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Несколько позже американцы совершили вторую попытку создания нейтринного телескопа, на этот раз во льдах Антарктиды, так как лед также является прозрачной средой. Бурение скважины происходило с использованием горячей воды, далее в скважину опускались фотоумножители. На проведение указанной операции у ученых было всего 48 часов, после чего скважина вновь замерзала. Данный детектор представлял собой 677 оптических модулей, которые располагались на 19-ти отдельных кабелях, помещенных на глубину 1500-1900 метров и образующих кольцо диаметром 200 метров. Проект был назван AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) и был реализован в течение пяти лет (1995-2000 гг.).

НТ-200 и AMANDA стали нейтринными телескопами первого поколения.

В 2008-м году евразийской коллаборацией (в т.ч. МГУ) была разработана еще одна подводная установка для регистрации нейтрино описанным способом – ANTARES. Она продолжает работу и сегодня – в Тулонской бухте вблизи Франции. Данная установка состоит из 12-ти 30-тиметровых вертикальных гирлянд, крепящихся ко дну одним концом и к бую – другим, и имеющих на себе по 75 оптических модулей. Гирлянды располагаются на расстоянии 70-ти метров друг от друга.

Дальнейшее развитие подводных нейтринных телескопов

Три упомянутых нейтринных детектора показали принципиальную возможность регистрации космических нейтрино из дальних областей Вселенной. Однако, в то же время стало ясно, что существующие размеры детекторов крайне малы для желаемой интенсивности регистрации, и для данной цели потребуются телескопы объемом порядка кубического километра. В результате этого во всех трех местах начались работы по реализации проектов такого масштаба.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Первым завершенным проектом стал наследник детектора AMANDA — нейтринная обсерватория IceCube («ледяной куб»), которая располагается в Антарктиде, на станции Амундсен-Скотт – прямо у Южного полюса Земли. Детекторы телескопа в виде гирлянд располагаются на глубине от 1450 до 2450 метров, каждая такая гирлянда имеет 60 фотоумножителей. Проект получил название «ледяной куб» так как общий объем, с которого производится регистрация черенковского излучения составляет 1 кубический километр. IceCube детектирует нейтрино, которые идут со стороны Земли. Такая настройка позволяет отфильтровать поток нейтрино от общего потока частиц, которые могут приходить из атмосферы или космоса. Насколько известно ученым – только нейтрино способно пролететь сквозь вещество Земли. Таким образом IceCube, находясь на Южном полюсе, улавливает частицы, приходящие с северной стороны планеты. Запуск данного современного детектора в 2011-м году ознаменовал начало эры нейтринной астрономии. К 2028-му году планируется расширить данный нейтринный телескоп до 10 кубических километров.

Несмотря на свои масштабы, установка IceCube все же имеет недостатки, которые вызваны тем, что лед все же несколько рассеивает рождаемые внутри фотоны, а потому, говоря простыми словами, получаемое изображение из космоса несколько размыто. В воде же рассеивание фотонов практически нет и точность наблюдений будут значительно точнее. Это оправдывало постройку нейтринных телескопов в двух других упомянутых местах.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

KM3NeT в представлении художника

В 2010-х началось создание массива нейтринных телескопов на дне Средиземного моря. В трех локациях, у берегов Франции (KM3NeT-Fr), Италии (KM3NeT-It) и Греции, планировалось расположить по два блока детекторов, каждый объемом около 0,5 кубического километра. В 2015-м году первая гирлянда детекторов KM3NeT-It была установлена недалеко от обсерватории ANTARES у берегов Сицилии и в декабре того же года новый телескоп начал регистрировать нейтрино. Каждый блок KM3NeT-It будет располагаться на глубине около 3400 метров и гирлянды высотой около 700 метров образуют область детектирования объемом 0,5 кубического километра. Оптические модули располагаются на гирлянде на расстоянии в 20 метров друг от друга. Французский детектор KM3NeT-Fr планируется поместить на глубину в 2475 метров. И хотя он будет иметь столько же узлов сколько их у KM3NeT-It, его размеры будут в 250 раз меньше итальянского, так как узлы будут значительно ближе друг к другу. В связи с этим KM3NeT-Fr сможет заняться поиском нейтрино меньших масс. Завершение установки всех шести блоков KM3NeT планируется к 2025-му году.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Погружение части телескопа Байкал

Кубокилометровая версия нейтринного телескопа разрабатывается и в России. Так коллаборация «Байкал» в 2015-м году развернула первый кластер гирлянд под названием «Дубна». Кластер представляет собой 192 сферических оптических модуля, расположенных на нескольких гирляндах на глубине 1300 метров на дне озера Байкал. К 2020-му году планируется развертывание установки из 10-12 кластеров, общим объем которых составит около 0,5 кубического километра.

Для совместного анализа данных с трех наибольших нейтринных детекторов все три коллаборации («Байкал», коллаборации обсерваторий KM3NeT и IceCube) объединились в международный консорциум — Глобальная нейтринная обсерватория.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Расположение трех подводных нейтринных телескопов

Подземные нейтринные детекторы

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.

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

Super-Kamiokande в Токио

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 метров и высотой 42 метра, который состоит из нержавеющей стали. Он заполнен 50 000 тонн очищенной воды. На стенах резервуара находятся 11 146 фотоумножителей, высокая чувствительность которых позволяет зарегистрировать даже один квант света. Постройка Super-Kamiokande была завершена в

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

далеком 1996-м году и с тех пор количество его фотоэлектронных умножителей растет.

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. Сама сфера располагается в резервуаре с чистой водой, во избежание попадания в детектор продуктов распада тория и урана, которые рождаются в горной породе снаружи шахты. SNO не рассчитан на регистрацию нейтрино из дальних уголков космоса, а используется для изучения нейтринного излучения Солнца. Прослужив с 1999-го по 2006-й год, на данный момент детектор завершает процесс переоборудования. Была запланирована замена тяжелой воды

Нейтринные телескопы для чего. Смотреть фото Нейтринные телескопы для чего. Смотреть картинку Нейтринные телескопы для чего. Картинка про Нейтринные телескопы для чего. Фото Нейтринные телескопы для чего

на жидкий линейный алкилбензол, который увеличит чувствительность детектора.

Помимо упомянутых детекторов, основанных на эффекте Вавилова — Черенкова, существует множество иных детекторов, работающих по другому принципу. Зачастую такие детекторы регистрируют нейтрино посредством его взаимодействия с более тяжелыми материалами, чем вода, и предназначены скорее не для наблюдения за Вселенной, а для изучения свойств самих нейтрино.

Похожие статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *