Ученые из девяти вузов объединили усилия для развития российской нейтринной программы

Байкальский нейтринный телескоп — один из флагманов российской нейтринной программы. В исследованиях на телескопе принимают участие более 60 человек, около 30 — находятся постоянно на льду Байкала.

Для работы на телескопе также объединили усилия девяти научных и образовательных организаций: это Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ), Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН), Иркутский государственный университет (ИГУ), Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцина (НИИЯФ МГУ), Нижегородский технический университет, Санкт-Петербургский морской технический университет, Чешский технический университет, Алма-Атинский институт ядерной физики. Координируют работу ученых ОИЯИ и Курчатовский институт.

«Сегодня в рамках государственной политики мы, с одной стороны, акцентируем внимание на прикладных исследованиях и разработках. Понятно, что в экономике сегодня чрезвычайно востребованы конкретные результаты науки и вообще сферы технологий. С другой стороны, и об этом неоднократно говорил президент России Владимир Путин, ни в коем случае нельзя задвигать на периферию фундаментальные исследования. Нам надо очень бережно относиться к тем заделам, которые есть, и, наоборот, инвестировать, поддерживать и помогать»,— отметил глава Минобрнауки России Валерий Фальков.

По словам министра, для проведения исследований нейтрино и астрофизики частиц в 2022–2024 годах Минобрнауки России выделены по 18 млн руб. ежегодно шести научным и образовательным организациям в рамках госзадания.

Российская нейтринная программа позволит объединить множество ученых, сохранить научный потенциал страны в этой области науки и привлечь международных партнеров.

По словам ученых, сеть передовых физических установок, таких как Baikal-GVD, способна послужить России для удержания уникального человеческого капитала. В то же время, чтобы быть серьезным конкурентом в глобальном масштабе, для попадания в пятерку мировых лидеров в сфере науки России необходимо участие международных партнеров в ее мегасайенс-проектах.

В 2022 году научная коллаборация «Байкал» установила два следующих кластера Baikal-GVD. Всего действующих кластеров десять плюс неполный кластер из двух гирлянд с оптическими линиями связи, установленный для проведения исследований по повышению эффективности нейтринного телескопа. Эффективный объем телескопа превысил 0,4 кубического километра в задаче регистрации каскадных событий от нейтрино высоких энергий.

Одним из главных итогов работы ученых на телескопе Baikal-GVD стала публикация первых результатов по поиску нейтрино астрофизической природы. Статья коллаборации Baikal-GVD вышла в престижном научном журнале Physical Review D и отмечена как «выбор редакции». В ней было подтверждено наличие нейтринного потока астрофизической природы, ранее обнаруженного Антарктическим нейтринным телескопом IceCube. Это первое независимое подтверждение существования астрофизических нейтрино сверхвысоких энергий.

Также продолжаются работы по обработке экспериментальных данных. Получены и опубликованы результаты мирового уровня в регистрации астрофизических нейтрино высоких энергий. Усовершенствована уникальная аппаратура, получены и опубликованы уникальные результаты по исследованию оптических характеристик водной среды озера Байкал.

По программе обновления приборной базы академических организаций сформирован лабораторно-производственный участок по сборке и испытаниям электронных управляющих блоков для нейтринного телескопа.

До 2030 года планируется установка еще восьми—десяти кластеров телескопа, что обеспечит регистрацию астрофизических нейтрино высоких энергий с эффективным объемом до 1 кубического километра. Это позволит Baikal-GVD конкурировать с проектами IceCube (США), KM3NeT (ЕС) и развивающимися в Китае и Канаде проектами.

Кроме того, планируется развивать микробиологические исследования донных сообществ озера Байкал с использованием методов генетического анализа силами ОИЯИ и Лимнологического института Сибирского отделения Российской академии наук.

Запуск мегасайенс-установки «Байкальский глубоководный нейтринный телескоп» был дан в марте 2021 года — в Год науки и технологий.

Дмитрий Наумов, доктор физико-математических наук, замдиректора по научной работе лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, ответил на вопросы «Ъ-Науки».

— Что такое Байкальский нейтринный телескоп?

— Байкальский глубоководной нейтринный телескоп — это научная установка, расположенная в южной части озера Байкал. Ближайшие крупные населенные пункты: Слюдянка (в южной оконечности озера) и Листвянка (в истоке Ангары). Береговой центр управления телескопом находится на 106-м километре Кругобайкальской железной дороги.

Главная задача нейтринного телескопа — обнаружение нейтрино сверхвысоких энергий внегалактического происхождения и определение их источников. Это позволит определить механизмы образования галактик во Вселенной и описать роль сверхмассивных черных дыр в их эволюции. Эти вопросы в современной космологии — науке о создании и эволюции Вселенной — до сих пор остаются открытыми.

История строительства этого телескопа началась в 1960 году с предложения М. А. Маркова создавать большие детекторы для регистрации черенковского излучения в естественных водоемах: океанах, морях, озерах. В начале 80-х годов прошлого века ученые приступили к реализации этой идеи. Нейтринный телескоп НТ-200, предшественник Baikal-GVD, был введен в эксплуатацию в 1998 году и сделал ряд важных открытий. Новая веха в строительстве детектора объемом 1 кубический километр началась в 2014 году: тогда было принято решение о его модернизации. В 2015 году появился первый кластер — «Дубна», а в апреле 2023 года в составе установки будут 12 кластеров общим объемом около половины кубического километра.

— Как работают нейтринные телескопы?

— Нейтринный телескоп работает совсем не так, как обычные оптические телескопы. Он ищет и регистрирует взаимодействия нейтрино. Эти частицы взаимодействуют с веществом очень слабо. Они способны пройти насквозь и Землю, и куда более плотные материи, например аккреционный диск вокруг черной дыры в центре какой-нибудь галактики. В некоторых галактиках масса такого диска достигает миллиардов масс Солнца.

Нейтринный телескоп состоит из оптических модулей — фоточувствительных сенсоров в стеклянных полусферах. Модули располагаются на тросах, которые удерживаются на дне озера якорями. Сенсоры «всматриваются» в кромешную тьму в поисках коротких вспышек света. Вспышки производятся заряженными частицами, которые рождаются в результате взаимодействия нейтрино с ядрами молекул воды. На основе регистрируемых сигналов ученые восстанавливают направление прихода нейтрино, его энергию и тип.

Проектами класса «мегасайенс» называют крупномасштабные международные научные эксперименты, инструментами которых выступают, как правило, очень дорогие установки, требующие значительных ресурсов для их эксплуатации. Взамен они способны принести крупные научные открытия. Примеры таких установок — Большой адронный коллайдер, детектор гравитационных волн LIGO, космический телескоп Planck и другие.

— Почему нейтринный телескоп решили построить именно на Байкале? Есть ли еще где-то в России подобный телескоп?

— Байкальская вода известна своей чистотой и прозрачностью. Для ученых эти качества оказались очень кстати, поскольку они дают возможность очень точного определения направления прилета нейтрино. Похожая установка в антарктическом льду на Южном полюсе — IceCube — страдает от сильного рассеяния света на многочисленных кристаллических гранях льда — в результате изображение источника сильно размывается.

Кроме того, на два месяца в году — в феврале и марте — Байкал покрывается толстым, почти метровым слоем льда, что позволяет собирать, устанавливать и вводить в эксплуатацию новые части нейтринного телескопа непосредственно с ледяной поверхности озера. Ремонтные работы проводить со льда тоже очень удобно. Телескоп работает 24/7 круглый год. Аналогов Байкальского нейтринного телескопа в России нет.

— Как ученые усовершенствовали телескоп в 2022 году?

— В 2022 году ученые и инженеры коллаборации Baikal-GVD во время зимней экспедиции ввели в строй два новых кластера телескопа и успешно опробовали оптическую линию передачи данных. Полученный опыт будет использоваться в последующей работе, и это позволит расширить диапазон исследований и повысит надежность передачи данных.

Эта технология будет только развиваться, и это упростит наращивание установки в будущем.

Впечатляет также и скорость введения байкальской нейтринной установки в строй. Первопроходцам в 1990-х — начале 2000-х потребовалось около десяти лет, чтобы создать установку, в которой примерно 200 оптических модулей. В современной истории телескопа уже первый кластер, введенный в строй за два года, состоял из 288 оптических модулей. А с апреля 2023 года полное число модулей байкальского нейтринного телескопа станет равным 3456 штукам! И это менее чем за десять лет.

Подготовлено при помощи Минобрнауки.