Байкальский глубоководный телескоп дал первые результаты поиска нейтрино

Международный коллектив эксперимента Baikal-GVD обнародовал первые результаты работы глубоководного нейтринного телескопа на озере Байкал, официально запущенного в работу 13 марта 2021 года. Данные опубликованы в статье «Глубоководный черенковский детектор в озере Байкал» в авторитетном «Журнале экспериментальной и теоретической физики» (ЖЭТФ). Кроме того, результаты представлены на авторитетной международной конференции Neutrino 2022.

Коллектив специалистов, представляющих Россию, Германию, Словакию, Чехию, Польшу и Казахстан, с ведущей ролью Института ядерных исследований РАН и Объединенного института ядерных исследований опубликовал первые результаты работы Байкальского нейтринного телескопа, известного также как Baikal-GVD. Официально телескоп Baikal-GVD был запущен в марте 2021 года, его строительство началось еще в 2015 году, а набор данных стартовал в 2016 году. Ученые подвели итог анализа данных, полученных на начальном этапе функционирования установки.

Нейтрино — мельчайшие элементарные частицы, которые очень слабо взаимодействуют с материей. В частности, они легко проходят сквозь Землю. Каждую секунду сквозь нас незаметно проходят многие триллионы нейтрино, в основном образованных в недрах Солнца и в результате бомбардировки Земли космическими лучами, а в 2013 году нейтринным телескопом IceCube были зарегистрированы первые астрофизические нейтрино — частицы, пришедшие от удаленных масштабных космических объектов. Основной вопрос, который сегодня стоит перед астрофизикой нейтрино высоких энергий: каковы их источники? По свойствам нейтрино ученые могли бы узнать много нового об очень удаленных от Земли объектах. Но для того, чтобы «поймать», детектировать высокоэнергетические нейтрино, приходится строить подводные телескопы, охватывающие кубокилометры вещества.

Как строились нейтринные телескопы

В 1960 году советский академик Моисей Марков предложил концепцию детектирования нейтрино при помощи развертывания сети детекторов света в глубине естественных водоемов. Толща воды защищает нейтринный детектор от космических лучей, попадающих на Землю, и солнечного света. Нейтрино, провзаимодействовав с веществом в окрестности установки, порождает заряженные частицы, которые излучают свет, так называемое черенковское свечение. Этот свет регистрируется сетью фотодетекторов, в результате можно восстановить направление прихода нейтрино и его энергию.

Первой попыткой реализовать эту концепцию был эксперимент DUMAND (Deep Underwater Muon And Neutrino Detector), инициированный в 1976 году американскими физиками. Детектор планировалось построить в районе Гавайских островов. К сожалению, из-за инженерных проблем он потерпел фиаско. В начале 1980-х годов академик Александр Евгеньевич Чудаков предложил реализовать идею Маркова на озере Байкал, и к середине 1980-х на Байкале были испытаны первые прототипы оптических модулей. В начале 1990-х начато строительство телескопа НТ-200, а в 1993 году на еще не достроенной установке были зарегистрированы первые в мире подводные нейтрино. Это были атмосферные нейтрино, которые, образовавшись в атмосфере с другой стороны Земли, прошли сквозь ее толщу и в результате взаимодействия вблизи установки дали заряженную частицу — мюон, оставивший световой след. НТ-200 был достроен в полном объеме к началу 2000-х и проработал более десяти лет.

В конце 1980-х американскими учеными было предложено развернуть аналогичную установку на Южном полюсе, используя вместо воды антарктический лед. Проект получил название AMANDA и был достроен к концу 1990-х годов. НТ-200 и AMANDA были первыми нейтринными телескопами и имели сравнительно небольшой чувствительный объем, достаточный для регистрации атмосферных нейтрино, но недостаточный для наблюдения редких астрофизических нейтрино. В начале 2000-х на базе AMANDA начал развиваться проект телескопа кубокилометрового масштаба — IceCube («ледяной куб»). Телескоп начал работу в полном объеме в 2011 году и к 2013-му накопил достаточно свидетельств существования потока астрофизических нейтрино. IceCube работает до сих пор, а события регистрации нейтрино высоких энергий на IceCube публикуются в международной научной литературе и каталогах, российские ученые также принимают участие в анализе этих событий и поиске их возможных источников.

Похожие проекты также развивались европейскими учеными в Средиземном море. Наиболее успешным был телескоп ANTARES, работавший у побережья Франции с 2008-го по февраль 2022 года. С 2015 года в Средиземном море строится телескоп кубокилометрового масштаба KM3NeT.

В 2011 году было начато проектирование кубокилометрового телескопа Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector). Развертывание установки в водах озера началось в 2015 году. Телескоп был официально введен в строй 13 марта 2021 года. Сейчас Baikal-GVD состоит из десяти так называемых кластеров — конструкций из восьми гирлянд-тросов, на которые крепятся специальные оптические модули, содержащие фотоумножители, улавливающие черенковский свет. Каждая такая гирлянда содержит 36 оптических модулей, расположенных на глубинах от 725 м до 1274 м. Всего установка включает более 2800 оптических модулей. В настоящее время Baikal-GVD является крупнейшим нейтринным телескопом в Северном полушарии Земли. Наряду с IceCube, ANTARES и KM3NeT телескоп входит в «Глобальную нейтринную сеть» и осуществляет совместный с другими телескопами поиск источников нейтрино.

Откуда приходят нейтрино

В результате работы эксперимента IceCube мы знаем, что из далекого космоса к нам приходят нейтрино очень высоких энергий: от десятков тераэлектронвольт (ТэВ) до нескольких петаэлектронвольт (ПэВ). Частицы с такими энергиями испускают очень далекие от нас масштабные космические объекты. Открытие, сделанное экспериментом IceCube,— это наблюдение так называемого диффузного (или случайного) потока астрофизических нейтрино. Смысл дальнейшей работы нейтринных телескопов — это накопление событий—кандидатов в высокоэнергетичные нейтрино и поиск корреляции этих событий с известными источниками на небе, обнаруженными оптическими, радио- и гамма-телескопами, в течение десятков лет наблюдений. Каждое из событий—кандидатов в высокоэнергетичные нейтрино, выявленных Baikal-GVD, тщательно анализируется, события наносятся на карту неба. Специалисты-астрофизики исследуют активность совпадающих по направлению объектов на небесном своде. Совпадение возросшей активности объекта на небе с приходом нейтрино считается одним из признаков источника нейтрино.

На сегодняшний день основной кандидат в источники нейтрино сверхвысоких энергий — это активные ядра галактик. Предполагается, что в центре многих галактик находится массивная черная дыра, огромные массы окружающего вещества падают на черную дыру и в сопутствующих процессах образуются частицы очень высоких энергий. Кроме активных ядер галактик есть и другие кандидаты в источники нейтрино. Например, это события приливного разрушения, когда звезда оказывается поблизости от сверхмассивной черной дыры. В процессах, сопровождающих поглощение ее вещества черной дырой, также могут образовываться высокоэнергетичные нейтрино. Слияния нейтронных звезд, одно из которых наблюдалось гравитационными телескопами LIGO и VIRGO в 2017 году, также являются хорошими кандидатами в источники нейтрино.

Что нашли на Байкале

Коллаборация опубликовала первые результаты поиска событий от частиц высоких энергий. Проведена работа по проверке ассоциации этих событий с известными астрофизическими объектами.

Любой крупномасштабный нейтринный телескоп может регистрировать нейтрино двумя способами: как мюонные треки и как 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 и скальной породы. Каскадные события — это свет от ливней заряженных частиц, инициированных электронами, адронами или осколками ядер. Свет в таких событиях распространяется до 100 м от места образования ливня. Эти две методики взаимно дополняют друг друга, имея различную точность измерения направления нейтрино и его энергии.

«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,— рассказывает старший научный сотрудник лаборатории нейтринной астрофизики высоких энергий Института ядерных исследований РАН Григорий Сафронов.— Это важный результат, доказывающий, что мы хорошо понимаем, как работает наш детектор, и он также опубликован. А вот 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».

Помимо этого у коллаборации есть программа поиска совпадений с событиями, которые регистрируют другие детекторы (установка IceCube в Антарктиде, ранее регистрировал телескоп ANTARES в Средиземном море, на смену которой пришел телескоп KM3Net, который сооружается сейчас европейскими учеными в Средиземном море у берегов Италии и Франции). Когда на этих установках регистрируются кандидаты в нейтрино, с высокой вероятностью имеющие астрофизическое происхождение, коллаборации выпускают специальные оповещения, чтобы другие телескопы могли оперативно исследовать соответствующий участок неба.

Последний важный результат, который уже был представлен на конференциях, в частности на авторитетной международной 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. Для открытия необходимо 5 сигма, но 3 сигма — это тоже хорошая достоверность, есть намек на открытие, но нужно еще немного поработать, чтобы подтвердить его, резюмирует Сафронов.

Стоит отметить, что помимо основных целей эксперимента Baikal-GVD — регистрации нейтрино высоких энергий и поиска источников таких частиц на небе — ведется много работы по изучению самого озера Байкал, например течений, прозрачности и естественного свечения воды озера. В ходе проектирования и эксплуатации компонентов детектора, предназначенных для работы на глубине более километра под водой, накапливается уникальный инженерный опыт. Это способствует дальнейшему развитию науки и технологий на мировом уровне.

Полина Юдина