Що побачить новий телескоп Baikal-GVD: нейтрино надвисоких енергій і еволюція галактик

Що це за телескоп?

Байкальський нейтринний телескоп (Baikal Gigaton Volume Detector, Baikal-GVD) - нейтринна обсерваторія,

розташований на дні озера Байкал. Наразі триває будівництво кубокілометрової версії.

Після закінчення будівництва до 2020 року обсягдетектора буде порівнянний з найбільшим на сьогоднішній момент детектором нейтрино IceCube. Телескоп поряд з IceCube, ANTARES і KM3NeT входить в Глобальну нейтринну мережу (GNN) як найважливіший елемент мережі в Північній півкулі Землі.

Обсерваторію експлуатує колаборація «Байкал», яка включає:

  • Інститут ядерних досліджень РАН,
  • Об'єднаний інститут ядерних досліджень,
  • Іркутський державний університет,
  • Московський державний університет ім. М. В. Ломоносова,
  • Нижегородський державний технічний університет,
  • Санкт-Петербурзький державний морський технічний університет,
  • Компані Evologic (Німеччина),
  • Інститут ядерної фізики Академії наук Чехії,
  • Інститут експериментальної та прикладної фізики Празького університету,
  • Братиславський університет.
  • Як буде працювати телескоп?

Нейтринний телескоп BAIKAL-GVD призначений дляреєстрації та дослідження потоків нейтрино надвисоких енергій від астрофізичних джерел. З його допомогою вчені планують досліджувати процеси з величезним виділенням енергії, що відбувалися у Всесвіті у минулому.

Однією з загадок сучасної астрофізики ємеханізм народження у Всесвіті астрофізичних нейтрино, в мільярди разів енергійніше сонячних нейтрино, і Байкальський нейтринний телескоп завдяки своїм унікальним характеристикам зможе пролити світло на цю таємницю.

  • Процес розробки телескопа?

Перша версія глибоководного нейтринного телескопа на Байкалі було розгорнуто 1998 року. З його допомогою проводилися вимірювання частинок нейтрино, що народжувалися в атмосфері Землі.

Результати досліджень привели до створення наПівденному полюсі нейтринного телескопа IceCube. Саме на ньому вперше були зафіксовані нейтрино високі енергії, що підтвердило правильність і перспективність створення мережі подібних за розміром телескопів.

Що таке нейтрино?

Нейтрино — прекрасний «оповідач» про астрофізичні катаклізми. Воно летить крізь Всесвіт, практично ніким і нічим не поглинаючись.

Оскільки ця частка нейтральна, магнітними та електричними полями вона не відхиляється, а це означає, що її джерело лежить саме у тому напрямку, звідки зареєстрували появу нейтрино.

Джерелами долетіли до Землі космічнихнейтрино служать вибухи наднових зірок, чорні діри, активні ядра галактик або подвійні зоряні системи. Саме тому нейтрино - прекрасний інструмент для вивчення що відбуваються в космосі процесів.

Навіщо потрібен нейтринний телескоп?

Відкриття астрофізичних нейтрино високих енергій у 2013 році ознаменувало народження нової галузі знань — нейтринної астрофізики високих енергій.

Це сталося, коли розміщений на Південному полюсів товщі антарктичного льоду детектор IceCube вперше зареєстрував нейтрино з енергією понад 1000 ТЕВ. На сьогоднішній день експериментом IceCube у Південній півкулі зареєстровано понад 100 астрофізичних нейтрино високих енергій.

Щоб детектувати нейтрино з усією небесноюсфери, потрібне створення нейтринного телескопа гігатонн масштабу в Північній півкулі. Тому, починаючи з 2015 року, на озері Байкал ведеться активне будівництво нейтринного телескопа другого покоління Baikal-GVD.

Процес роботи Baikal-GVD

Байкальський нейтринний телескоп — ценейтринний детектор, розташований в озері Байкал на відстані 3,6 км від берега, де глибина озера сягає 1366 м. Місце для встановлення було обрано не випадково.

  • По-перше, у цьому районі проходить залізниця та протягнуті лінії електропередач. За 55 км від детектора знаходиться великий промисловий та науковий центр – місто Іркутськ.
  • По-друге, вода озера прісна, що запобігає можливим пошкодженням обладнання.
  • По-третє, протягом двох місяців на рік озеро покривається міцним крижаним покривом, що дозволяє без побоювань вести монтажні роботи.
  • Також Байкалі відсутні фонове світіння від К40 і біолюмінесценція, яка носить спалахової характер.

При проходженні нейтрино крізь Байкальську товщуводи є ймовірність, що деякі з невловимих частинок таки будуть зупинені водою. У разі такої взаємодії утворюється або мюон або зливовий каскад з частинок високих енергій.

І мюон, і зливовий каскад викликають свічення води, зване у фізиці черенківським випромінюванням - явище, виявлене радянськими фізиками П. А. Черенкова та С. І. Вавілова.

Таке світіння виникає тоді, коли зарядженачастка (наприклад, мюон) рухається у воді зі швидкістю більше, ніж швидкість світла у воді (швидкість світла у воді зменшується обернено пропорційно коефіцієнту заломлення).

Фактично відбувається явище, при якому мюон обганяє світло. Завдання детектора - зареєструвати черенковское випромінювання і відокремити події з астрофізичними нейтрино від інших можливих подій.

Скільки коштував телескоп?

На проект з будівництва було витрачено близько2,5 млрд рублів, він займає площу близько 0,5 км² і призначений для пошуку джерел нейтрино надвисоких енергій, у тому числі в надрах галактик, що народжуються або вмирають.

Дослідження цих частинок допоможе вченим зрозуміти, яким чином виникла і еволюціонувала Всесвіт в процесі історії.

Підземні детектори нейтрино

Крім кількох підводних нейтриннихдетекторів, існують також підземні детектори, що працюють за тим самим принципом. Їхня відмінність у тому, що для детектування використовується штучний резервуар зі спеціальною водою.

Також завдяки своєму розташуванню дані телескопи використовують земні породи в якості фільтра частинок, які позбавляють детектори від реєстрації стороннього (фонового) випромінювання, на кшталт космічного.

  • Super-Kamiokande

Найбільшим підземним нейтринним детектором є Super-Kamiokande, який розташований дещо північніше Токіо, в цинковій шахті на глибині 1 км.

Детектор представляє собою резервуар діаметром40 м і висотою 42 м, який складається з нержавіючої сталі. Він заповнений 50 000 т очищеної води. На стінах резервуара знаходяться 11 146 фотопомножувачів, висока чутливість яких дозволяє зареєструвати навіть один квант світла. Споруда Super-Kamiokande була завершена в 1983 році.

  • SNO

Ще один детектор, у рази менший за Super-Kamiokande, розташований біля канадського міста Садбері в шахті на глибині двох кілометрів — Sudbury Neutrino Observatory.

SNO - акрилова сфера діаметром 12 метрів і товщиною стінок - 5,5 см, яка заповнена важкою водою D2O і покрита 9 600 фотопомножувачами.

Особливості нейтринного телескопа Baikal-GVD

Байкальський нейтринний телескоп встановлений навідстані 3,5 км від берега на глибині від 750 до 1 300 м в південній улоговині Байкалу. Це озеро для розміщення телескопа вибрано в зв'язку з тим, що в ньому є ділянки глибиною до 1 км недалеко від берега і відповідні для установки наукового обладнання. Вода Байкалу має необхідну для експериментів прозорість.

Крім того, озеро близько двох місяців в році покрите льодом, що значно полегшує установку і обслуговування телескопа в порівнянні з іншими проектами, коли телескопи розгортають з морських суден.

Читати далі

Уран отримав статус самої дивної планети в Сонячній системі. Чому?

Люди можуть витримувати дуже низькі температури навіть без джерел тепла

Фізики створили аналог чорної діри і підтвердили теорію Хокінга. До чого це призведе?