Призраки во Вселенной: Baikal заставит переписать учебники по астрофизике

В мае ежегодная экспедиция по строительству нейтринного телескопа Baikal-GVD ввела два новых кластера светочувствительных детекторов — теперь кластеров 16. Но главное — получены первые научные результаты: зафиксирован поток высокоэнергетических нейтрино из плоскости Млечного Пути, что не согласуется с предсказаниями астрофизических моделей распространения космических лучей в Галактике.

Каждую секунду сквозь нашу планету, все объекты живой и неживой природы проходят триллионы невидимых частиц — нейтрино. Они рождаются в недрах взрывающихся звезд, в черных дырах, в самых далеких уголках космоса. Долгое время физики лишь догадывались о существовании этих частиц-призраков, сейчас их ловят на Земле тремя «сетями»: IceCube в Антарктике, KM3NeT в Средиземном море и Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector). Исследуя нейтрино, ученые надеются найти следы темной материи и узнать, как рождаются звезды, вспыхивают сверхновые.

Как устроен подводный телескоп

Атомщикам хорошо известен эффект Вавилова — Черенкова: вода в бассейнах выдержки отработавшего ядерного топлива сияет голубым. Если заряженная частица движется быстрее скорости света в воде, но медленнее скорости света в вакууме, она создает ударную волну, проявляющуюся таким свечением. На этом эффекте построена охота на нейтрино.

Нейтрино нейтрально и настолько мало, что может пролететь сквозь всю планету, не задев ни атома. Озеро Байкал — это гигантский экран, мощная линза. Задача ученых — ждать, когда нейтрино случайно столкнется с атомом воды. В момент этого редкого события рождаются другие частицы, которые испускают черенковское свечение.

«Детектор Baikal-GVD состоит из небольших независимых поддетекторов, каждый из них является нейтринным телескопом. Они синхронизованы, и мы можем склеивать данные с них, — объясняет руководитель коллаборации Baikal-GVD Жан-Арыс Джилкибаев. — Порядка 300 оптических модулей объединяются в кластер. Сейчас на Байкале в режиме накопления данных работают 16 кластеров».

Кластеры, связка нитей с оптическими модулями (фотоумножителями), опускаются под воду, точнее, под лед. На начальном этапе развертывания Baikal-GVD использовались японские фотоумножители. Теперь им на смену приходят китайские.

Переворот в астрофизике

До недавнего времени считалось, что космические частицы сверхвысоких энергий (выше 200 ТэВ) приходят к нам из других галактик. Млечный Путь казался слишком спокойным для такого мощного излучения. Но телескоп IceCube в 2022 году заметил странности, а Baikal-GVD в 2023–2024 годах их подтвердил: диск нашей галактики буквально фонит высокоэнергетическими нейтрино.

«Экспериментальная астрофизика и астрономия — очень молодые дисциплины. Высокоэнергетические астрофизические нейтрино IceCube зарегистрировал только в 2013 году. Этот результат требовалось подтвердить на другой установке. Именно Baikal-GVD, еще на стадии развертывания, зарегистрировал диффузный астрофизический поток нейтрино», — рассказывает Жан-Арыс Джилкибаев. Это все равно что выяснить, что Солнце светит в тысячи раз ярче, чем должно по законам физики. Руководитель установки Baikal-GVD Игорь Белолаптиков отмечает: «Действующие теории предсказывали, что высокоэнергетическое космическое излучение должно приходить из-за пределов Галактики. Наша команда искала именно высокоэнергетические частицы и увидела их поток прямо из диска Млечного Пути. Данные подтверждены двумя обсерваториями, соответственно, они повлекут изменение моделей распространения космических лучей в нашей галактике».

Это только первый шаг. Дальше нужно найти источники высокоэнергетических нейтрино в нашей галактике и за ее пределами. Другая важная цель нейтринных экспериментов на Байкале и в Антарктиде — регистрация нейтрино, возникающих при взаимодействии космических частиц сверхвысоких энергий с реликтовым излучением. Зафиксировать источники таких частиц крайне сложно, поскольку астрофизические частицы обладают зарядом и в процессе движения сквозь космическое пространство меняют траекторию из-за многочисленных магнитных полей, а потоки нейтрино, которые рождаются в этих источниках, слишком малы для регистрации на Земле. «Тем не менее мы видим уже несколько галактических и внегалактических нейтринных источников, — говорит Жан-Арыс Джилкибаев. — Эти данные согласуются с данными IceCube, так что источники-кандидаты, по крайней мере, у нас уже есть».

КАРТА НЕБЕСНОЙ СФЕРЫ, НАБЛЮДАЕМОЙ BAIKAL-GVD И ICECUBE

HUNT — сеть будущего

Чтобы набрать больше знаний, нужно фиксировать больше нейтринных событий. Детектируемый объем IceCube, KM3NeT и Baikal-GVD — по 1 км³, и этого уже мало.

План построить супердетектор есть. К 2040 году в акватории Байкала российские ученые с коллегами из Института физики высоких энергий Китайской академии наук (IHEP) планируют развернуть телескоп под названием HUNT объемом до 30 км³.

Почему на Байкале? Антарктида — слишком далеко, одна доставка топлива чего стоит. Южно-Китайское море (его рассматривали для развертывания собственного нейтринного телескопа китайцы) — штормовое и соленое, датчики там долго не живут. Средиземное море — те же проблемы. «Байкал — место уникальное, — говорит Игорь Белолаптиков. — Спокойное, береговая инфраструктура имеется, развертывать систему датчиков можно зимой, по льду, все доступно. Китайские коллеги производят большие фотоумножители. В коллаборации можно построить детектор, который обеспечит настоящий скачок в астрофизике».

Повод для коллаборации — новейшие открытия китайской высокогорной обсерватории космических лучей LHAASO. Она регулярно регистрирует рекордные потоки гамма-квантов сверхвысоких энергий, в том числе превышающие 100 ТэВ и достигающие диапазона в петаэлектронвольтах из центра Млечного Пути. «Теперь астрофизики пытаются понять, что является источником этого потока, — продолжает Игорь Белолаптиков. — Гамма-кванты появляются от разных взаимодействий, в то время как нейтрино — только при взаимодействии материи. Baikal-GVD и LHAASO находятся в одном секторе наблюдений, мы видим практически один и тот же участок неба. Если мы зарегистрируем поток нейтрино в тех же участках, где LHAASO — гамма-кванты, мы сможем описать процессы появления этих потоков частиц, понять, какова природа взаимодействия, рождающая такие высокоэнергетические потоки».

Если эксперимент удастся, у ученых появятся два метода наблюдения за одним процессом. Это позволит точнее описать физику возникновения частиц сверхвысоких энергий.

Эксперимент уже разворачивается. В 2025 году на Baikal-GVD были введены в эксплуатацию два прототипа гирлянд нейтринного телескопа HUNT. В этом году установлен еще один прототип и два оптических модуля с 20-дюймовыми фотоумножителями.

При чем здесь ядро Земли и темная материя

Охота за космическими нейтрино не единственная задача. Нейтринный телескоп, направленный вниз, работает как томограф. «Буквально от самого ядра Земли приходят потоки нейтрино. Регистрируя их, мы можем судить о структуре планеты», — говорит Игорь Белолаптиков. Земля непрозрачна для света и радиоволн, но прозрачна для нейтрино. Анализируя, сколько частиц она «съедает», ученые составят карту плотности недр. И возможно, мы наконец узнаем точный химический состав ядра Земли.

Кроме того, любой всплеск нейтринной активности, не связанный с известными звездами, может оказаться сигнатурой темной материи — той самой невидимой субстанции, из которой на 85 % состоит Вселенная.

На вопрос, когда ждать открытий, Жан-Арыс Джилкибаев отвечает, что в течение ближайших 10 лет уникальные данные будет поставлять Baikal-GVD, следующий прорыв в нейтринной астрофизике связывают с результатами эксперимента HUNT.

Но уже сегодня на дне Байкала гирлянды фотоумножителей ищут «призраков Вселенной», чтобы поведать нам историю рождения звезд.

Крупнейшие нейтринные телескопы

IceCube (США, Германия) расположен на антарктической станции Амундсена — Скотта. Состоит из более чем 5 тыс. оптических датчиков, вмороженных в толщу ледника на глубине 1450–2450 м. Первым зарегистрировал астрофизические нейтрино в 2013 году.

KM3NeT тоже нацелен на Южное полушарие. В проекте участвует два десятка стран. Два действующих детектора находятся в разных точках Средиземного моря на глубине 2,5–3,5 тыс. м: ARCA у берегов Сицилии (Италия) и ORCA недалеко от Тулона (Франция).

Baikal-GVD (Россия) — единственный в Северном полушарии, что делает его незаменимым для наблюдения за центром Млечного Пути. Состоит из независимых кластеров. В каждом кластере — восемь вертикальных гирлянд оптических модулей (семь по периметру и один в центре). Каждая гирлянда содержит 36 стеклянных сферических модулей с высокочувствительными фотоэлектронными умножителями.