Регион

Уведомления отключены

Невод для тёмной материи. Что ловят астрономы на дне Байкала?

В России строят крупнейшую нейтринную обсерваторию Северного полушария. Она позволит заглянуть туда, где ничего не видят ни "Хаббл", ни любые другие астрономические инструменты. Как говорят учёные, это новая астрономия.

27 января, 21:40
11226
<p>Фото © Shutterstock</p>

Фото © Shutterstock

Посреди покрытого льдом Байкала ездят тракторы, гусеничная техника, кругом расставлены лебёдки. И так каждую зиму. Кто бы мог подумать, что всё это нужно для телескопа.

Very Large Volume Neutrino Telescopes Baikal. Фото © baikalgvd.jinr.ru

Very Large Volume Neutrino Telescopes Baikal. Фото © baikalgvd.jinr.ru

Обсерватория Baikal-GVD — Baikal Gigaton Volume Detector (Байкальский детектор гигатонного масштаба) — расположилась посреди озера, примерно в 3,5–4 километрах от берега, и выглядит очень своеобразно: это гирлянды длиной 525 метров, которые погружают в воду на более чем километровую глубину. На сегодняшний день там развешено уже полсотни с лишним таких гирлянд, а в ближайшие годы к ним планируют добавить ещё примерно 150. И на каждой закрепляют по 36 одинаковых шаров. В общей сложности в водах Байкала их более двух тысяч.

Эти сферы называются оптическими модулями. Внутри целые комплексы сложной аппаратуры. Они улавливают излучение. Необычное, удивительное излучение. Оно представляет собой вот что. Быстрее, чем свет в вакууме, ничто двигаться не может. Но через какое-нибудь — любое — вещество он летит несколько медленнее, чем в вакууме. И бывает так, что некоторые заряженные частицы мчатся сквозь это вещество, обгоняя фотоны. То есть можно сказать, что внутри какой-то среды они мчатся со сверхсветовой скоростью. И при этом испускают фотоны, то есть светятся. Излучение это тянется за частицей и образует конус, как звуковые волны, идущие от сверхзвукового самолёта.

А если вещество прозрачное, то этим явлением можно полюбоваться. Получается таинственное голубое свечение. Именно его и наблюдают при запуске ядерных реакторов.

Оно называется черенковским свечением, или эффектом Вавилова — Черенкова. За открытие этого явления природы советскому физику Павлу Черенкову и его коллегам Игорю Тамму и Илье Франку дали в 1958 году Нобелевскую премию. Учёные решили, что в названии эффекта должно быть увековечено и имя Сергея Ивановича Вавилова — именно в его лаборатории и под его руководством в 1934 году впервые удалось увидеть этот свет.

Но самое интересное, что его можно наблюдать не только в лаборатории или на АЭС. Явление встречается и в природе, а именно в океанских глубинах. Во тьме у самого дна иногда бывают тусклые всполохи — это распадаются радиоактивные изотопы калия и другие природные радионуклиды, которые попадают в воду из земных недр в результате естественных процессов. Результат этого распада тот же самый: вылетают электроны, а вместе с ними фотоны.

А ещё бывает, что в атомы воды врезаются нейтрино. Это такие вездесущие частицы, которые возникают в результате ядерных реакций и внутри звёзд, и на Земле, и в атмосфере из-за её бомбардировки космическими лучами. "Нейтрино" — итальянское слово, переводится как "нейтрончик". Термин придумал физик Энрико Ферми, создатель первого в мире ядерного реактора и человек, который сформулировал знаменитый "парадокс Ферми" ("Где инопланетяне?"). Этим словом обозначили, что частица нейтральная и очень маленькая — намного меньше, чем нейтрон. Разница между двумя этими частицами в том, что нейтрон состоит из трёх ещё более мелких частиц — кварков, а у нейтрино составных частей нет. Этими крохами кишит Вселенная, но их никто не замечает — они практически не взаимодействуют или, во всяком случае, очень слабо взаимодействуют с другими частицами. Для них почти всё прозрачно.

Испустилась эта частица где-то и летит себе. Как летит, так и летит, не реагируя ни на что. Даже если нейтрино на своём пути какую-нибудь звезду встретит, спокойно сквозь эту звезду пройдёт, — объяснил координатор Байкальского нейтринного проекта, заведующий лабораторией Института ядерных исследований РАН Григорий Домогацкий.

Но в достаточно плотной среде, то есть там, где высока концентрация атомов, нейтрино всё же может налетать на некоторые из них и порождать целые ливни светящихся частиц. Самое интересное, что они "проливаются" точно в том же направлении, что и исходный нейтрино. Так вот, идеальный кандидат на роль такой плотной среды — вода: атомов много и в то же время прозрачная. Можно зафиксировать примерно такие светящиеся полоски.

И это не просто красиво. Поскольку нейтрино не замечают препятствий, они движутся, строго сохраняя изначальное направление и никуда не сворачивая. А это значит, что полоски указывают, ОТКУДА прилетели нейтрино.

Нейтрино, стукаясь о ядра воды, либо создаёт каскад заряженных частиц такой пучок, который летит, либо создаёт такую частицу мюон, которая очень долго летит. И вы видите траекторию, длинную такую траекторию, которая показывает, как эта частица шла, справа налево или слева направо, сверху вниз или снизу вверх. А дальше вы уже легко вычисляете, что это за точка на небе, и смотрите, что там есть, — рассказал председатель научного совета РАН по нейтринной физике.

Нейтрино в водах Байкала ловят избирательно — не всякие требуются. Атмосферные, солнечные или вылетающие из реакторов в данном случае ни к чему. Нужны только гости из далёкого космоса. Их отличают по огромной энергии потока — десятки тысяч миллиардов электронвольт и выше.

Про толстый лёд и цели исследований. © YouTube / BAIKAL-GVD

О чём говорят нейтрино?

Во-первых, все прочие телескопы "видят" только то, что снаружи, а нейтрино вырываются прямо из звёздных ядер, из самого сердца галактик, из эпицентров взрывов сверхновых и всевозможных столкновений. Первым в мире идею погрузить нейтринные детекторы в естественный водоём предложил советский физик Моисей Александрович Марков ещё в 1960 году. Лишь через полтора десятка лет начались попытки реализовать это технически, притом на первых порах они были неудачными — задача оказалась невероятно сложной. Подводные нейтринные обсерватории появились в мире только в середине 1990-х: на Байкале (до нынешнего телескопа там работал НТ-200), на Южном полюсе (AMANDA, затем IceCube), а с 2008 года — в Средиземном море (ANTARES).

В 2010 году построили крупнейшую в мире (по крайней мере, пока) установку — IceCube в Антарктиде. Вдвоём с Baikal-GVD они смогут искать источники нейтрино высоких энергий по всей небесной сфере.

Если оперировать словом "эпоха", то сейчас эпоха рождения многоканальной астрономии, когда к изучению Вселенной с помощью регистрации оптическими инструментами, детекторами радиоизлучения, гамма-телескопами добавились детекторы гравитационных волн и нейтрино высоких энергий. Это совершенно новая астрономия, — подчеркнул учёный.

Фото © baikalgvd.jinr.ru

Фото © baikalgvd.jinr.ru

Во-вторых, нейтрино совершенно не укладываются в рамки современной науки. Согласно стандартной модели физики элементарных частиц, у них никак не может быть массы. А она есть. Правда, пока точно не известно, какая именно.

Определение массы любой частицы это первое дело, это её фамильная карточка, — отметил координатор Байкальского нейтринного проекта.

И в-третьих, загадочные частицы наводят астрофизиков на мысль: а может быть, они помогут раскрыть тайну скрытой массы Вселенной? Теоретически нейтрино могут возникать и при распаде частиц тёмной материи.

Фото © baikalgvd.jinr.ru

Фото © baikalgvd.jinr.ru

Эти детекторы (детекторы Байкальского подводного телескопа. — Прим. Лайфа) могут многое дать нейтринной астрономии. Они обладают возможностью искать частицы тёмной материи. Если это массивные частицы, то их можно искать такими глубоководными детекторами. Они продвигаются в направлении решения важнейшего вопроса о том, что же такое тёмная материя во Вселенной. Это массивные, тяжёлые частицы или это лёгкие частицы? Этот вопрос — один из мощнейших вызовов человечеству, — заявил Григорий Домогацкий.

А вдруг нейтрино и есть тёмная материя?

При том, что мы сейчас знаем, — нет. Если бы масса нейтрино была большой, скажем, 50 электронвольт, она бы объяснила: вот вам, пожалуйста, скрытая масса. Но она такой не оказалась. Но всё это надо экспериментально измерять и исследовать, — уверен заведующий лабораторией Института ядерных исследований.

Фото © baikalgvd.jinr.ru

Фото © baikalgvd.jinr.ru

В глубоководные "сети" Байкальского телескопа уже начали попадать следы ярких событий космической бездны. По расчётам астрофизиков, этот телескоп-"невод" проработает многие десятки лет. Единственное, что может создать учёным проблему, — это сети обыкновенные, рыболовецкие. В той зоне, где строят телескоп, официально судоходство запрещено, но браконьеров это не останавливает. Впрочем, опасность минимальна — конструкции с гирляндами начинаются на глубине около 25 метров.

Подпишитесь на LIFE

  • Google Новости

Комментариев: 0

avatar
Для комментирования авторизуйтесь!

Новости партнеров

Layer 1