Ловушка для призраков: что поймал телескоп на Байкале

Фото: © The Baikal-GVD Collaboration
Астрофизики мечтают прочитать историю Вселенной по частице-призраку — нейтрино. Зафиксировать присутствие капризной частицы призван огромный телескоп на дне Байкала. У исследователей уже есть первые результаты.

Байкальский нейтринный телескоп Baikal-GVD — детектор частицы нейтрино. Его установили на глубине 1366 метра в озере Байкал и расстоянии 3,6 километра от берега. Установку запустили в 2021 году.

Сам байкальский телескоп выглядит необычно. Он похож на праздничную иллюминацию, состоящую из десяти кластеров. Они расположены на расстоянии 250–300 метров друг от друга под водой. 

На каждом кластере повешены вертикально восемь гирлянд, на которых висят стеклянные оптические модули – по 36 на каждой гирлянде. Эта «мегагирлянда» — очень чувствительная и может зафиксировать даже микроскопический вспышку нейтрино в непроглядной тьме байкальской глубины.

Зачем ловить нейтрино?

Нейтрино — элементарные частицы без электрического заряда. Поэтому она не отклоняется магнитными и электрическими полями. Ее путь от зарождения в глубинах Вселенной до байкальского детектора лежит напрямую, а значит наиболее интересен ученым.

Источниками долетевших до Земли космических нейтрино служат взрывы сверхновых звезд, черные дыры, активные ядра галактик или двойные звездные системы. Именно поэтому нейтрино – прекрасный инструмент для изучения происходящих в космосе процессов.

Но зафиксировать эту частицу очень сложно. Она обладает огромной энергией в сотни триллионов вольт и проходит Землю насквозь со световой скоростью. Но некоторые нейтрино иногда все-таки выдают себя.

Как байкальский телескоп ловит нейтрино?

Нейтрино никак не проявляется. Если только не вступит в взаимодействие 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, возникают сложение волн и голубое свечение: эффект Вавилова — Черенкова, который можно зарегистрировать.

Толща воды позволяет не только зафиксировать этот эффект, но и защищает от других частиц, которые появляются от взаимодействия космических лучей с атмосферой Земли. Вода отсеивает лишние частицы, позволяя сфокусироваться только на нейтрино.

Телескоп на дне Байкала улавливает два вида событий, связанных с нейтрино. Это мюонные треки и каскады. Трековые события образованы зарегистрированным светом от заряженных частиц — мюонов, такие частицы образуются во взаимодействии нейтрино вблизи установки и распространяются на расстояния до километров в толще воды.

Каскадные события — это свет от ливней заряженных частиц, инициированных электронами, адронами или осколками ядер. Свет в таких событиях распространяется до 100 метров от места образования ливня.

Байкальские результаты

Ученым удалось получить первые результаты работы на байкальском телескопе. Данные опубликованы в статье «Глубоководный черенковский детектор в озере Байкал» в авторитетном «Журнале экспериментальной и теоретической физики» (ЖЭТФ). Также результаты представлены на международной конференции Neutrino 2022.

«В трековом анализе мы пока что зарегистрировали много событий — кандидатов в низкоэнергетичные атмосферные нейтрино. Убедились, что их поток совпадает с ожидаемым из компьютерного моделирования взаимодействий таких нейтрино в окрестности нашей установки»,— рассказал «Коммерсанту» старший научный сотрудник лаборатории нейтринной астрофизики высоких энергий Института ядерных исследований РАН Григорий Сафронов.

По его словам, этот результат доказывает, что ученые понимают, как работает детектор.

«Каскадный анализ уже позволил нам выделить высокоэнергетичные нейтрино, и в настоящее время идет работа по изучению возможности ассоциации каскадных событий с известными астрофизикам источниками излучения по различным базам данных наблюдений. Всего в настоящее время выделено 25 каскадных событий — кандидатов в астрофизические нейтрино», — отметил Сафронов.

События Вселенского масштаба

Также ученые ищут совпадения с событиями, которые регистрируют другие детекторы, например, схожая по своим задачам с байкальским детектором установка IceCube в Антарктиде.

Когда на этих установках регистрируются кандидаты в нейтрино, с высокой вероятностью имеющие астрофизическое происхождение, ученые выпускают специальные оповещения, чтобы другие телескопы могли оперативно исследовать соответствующий участок неба.

Последний важный результат, который уже был представлен на конференции Neutrino 2022, но пока не опубликован, — коллаборация Baikal-GVD подтверждает поток астрофизических нейтрино, который впервые был зарегистрирован телескопом IceCube в 2013 году на уровне достоверности 3 сигма.

Работы по установке телескопа и ночное небо
Фото: © The Baikal-GVD Collaboration

Для точного подтверждения открытия необходимо 5 сигма, но 3 сигма — это тоже хорошая достоверность, но еще немного поработать, чтобы подтвердить его окончательно, резюмирует Сафронов.

Тем более, что байкальский телескоп будет прирастать новыми кластерами. По проекту объем установки к 2027 году должен составить порядка одного кубического километра. Это увеличит шансы сделать далекий космос понятнее и ближе.

Тема: Человек и космос
Астрономы сообщили о дате весеннего равноденствия
Полвека спустя: Россия вернется на Луну
Ровер Perseverance обнаружил на Марсе органику
Загадочные алмазы нашли в инопланетных метеоритах
смотреть все