Карта нейтринного неба: что разглядели ученые в телескоп на дне Байкала

Ученые из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) с коллегами из других научных организаций сооружают на Байкале гигантский нейтринный телескоп для наблюдения за космическими частицами. Это поможет больше узнать об истории и эволюции Вселенной. В апреле завершилась очередная экспедиция Baikal-GVD. Ее участники отремонтировали и модернизировали элементы детектора и установили два новых кластера, благодаря чему объем Baikal-GVD превысил 0,5 км3.

Байкальский куб

Первый кластер нейтринного телескопа Baikal-GVD был спущен под воду в 2015 году, и с тех пор участники коллаборации ежегодно в середине февраля отправляются на два месяца на Байкал достраивать установку. В этом году они модернизировали кластеры, поставили 576 новых оптических модулей и проложили два донных кабеля по 7,5 км.

«Сезон 2023 года оказался испытанием на прочность для всей экспедиции. Погода постаралась ужесточить это испытание, но, нужно отдать должное, обеспечила нас надежным льдом до окончания ледовых работ. Мы реализовали запланированные системные изменения в подготовке аппаратуры и технологическом плане развертывания установки и добились того, что два модуля примерно в 1,5 км друг от друга синхронизируются с точностью до нескольких наносекунд», — ​отметил руководитель работ, начальник установки Baikal-GVD, научный сотрудник Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Игорь Белолаптиков.

Сейчас байкальский нейтринный телескоп — ​самый большой в Северном полушарии и второй в мире после антарктического IceCube. 3,5 тыс. фотоприемников, разделенных на 12 кластеров, работают в режиме набора данных. Планируется, что к 2027 году объем телескопа составит порядка 1 км3.

«До завершения первоначального проекта детектора нейтрино сверхвысоких энергий с эффективным объемом порядка 1 км3 осталось два-три шага. Начинают прорисовываться контуры плана дальнейшего развития детектора, основанного на оптоволоконной системе сбора данных», — ​пояснил заведующий Лабораторией нейтринной астрофизики высоких энергий Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН, руководитель коллаборации Baikal-GVD Григорий Домогацкий.

Первые результаты

Baikal-GVD предназначен для регистрации и исследования потоков нейтрино сверхвысоких энергий от астрофизических источников. Ученые изучают механизмы ускорения частиц, эволюцию галактик, формирование сверхмассивных черных дыр и другие процессы с выделением огромной энергии, в том числе те, что происходили в далеком прошлом. Полученные с телескопа данные позволили подтвердить астрофизическую природу нейтринного потока.

Дело в том, что в 2013 году телескоп IceCube обнаружил существование диффузного потока нейтрино — ​суммарного потока нейтрино космического происхождения от многих источников. Эти данные необходимо было подтвердить в других экспериментах на телескопах в Северном полушарии: Baikal-GVD и KM3NeT / ARCA в Средиземном море. Коллаборация Baikal-GVD, проанализировав данные, выделила 25 событий-кандидатов. Их параметры, в том числе распределение частиц по энергии, близки к диффузионному потоку, зарегистрированному в Антарктиде. Статья об этом исследовании была опубликована в феврале в научном журнале Physical Review D.

«Обнаружение природного потока нейтрино высоких энергий астрофизического происхождения в эксперименте на IceCube теперь подтверждено результатами, полученными в Северном полушарии на Baikal-GVD. Совместная работа этих двух детекторов дает возможность вести поиск источников нейтрино высоких энергий на всей небесной сфере и служит началом процесса построения карты нейтринного неба», — ​сказал Григорий Домогацкий.

Последователь Маркова

Идея создания телескопа Baikal-GVD принадлежит советскому физику Моисею Маркову. Он высказал идею регистрировать нейтрино в естественных водоемах с помощью детекторов света — ​фотоумножителей.

В 1980‑е Моисей Марков предложил физику Григорию Домогацкому проработать возможность сооружения нейтринного детектора на Байкале. Вскоре в ИЯИ АН СССР появилась Лаборатория нейтринной астрофизики высоких энергий, которую возглавил Григорий Домогацкий. С этой лаборатории началась история байкальского нейтринного телескопа. В 1981 году стартовали работы с детекторами под водой, в 1984-м была испытана установка «Гирлянда‑84», послужившая базой для будущего телескопа.

Байкал выбрали потому, что детекторы могут работать только в чистой, прозрачной воде: вспышки света, образующиеся от взаимодействия нейтрино с водой, крайне слабые. При этом водоем должен быть очень глубоким, чтобы защитить телескоп от солнечного излучения, которое мешает наблюдать за вспышками. Кроме того, Байкал замерзает, и лед можно использовать как платформу для монтажа комплекса оборудования и его спуска в воду.