Проекты XXI века

Дмитрий Наумов

Космос. Нейтрино. Байкал

Страницы дневника научной экспедиции

История проекта

Глубоководные нейтринные телескопы начинают свою историю с 1960 года, когда академик Моисей Александрович Марков, в то время работавший в ОИЯИ, предложил идею детектирования нейтрино при помощи естественных водоемов. Большая толща воды защищает нейтринный детектор от космических лучей, постоянно падающих на Землю. Нейтрино, столкнувшись с каким-нибудь ядром молекулы воды, порождает заряженные частицы, движущиеся в воде быстрее света.

Эта идея понравилась мировому физическому сообществу, но только через шестнадцать лет физики попробовали сделать эксперимент под названием DUMAND (Deep Underwater Muon And Neutrino Detector Project) в районе Гавайских островов. Этот эксперимент не увенчался успехом. Физики не смогли поставить стринг с оптическими модулями на дно. Стало понятно, что нужно решить массу технических проблем, прежде чем браться за дело.

Байкальский нейтринный телескоп начал свою историю через двадцать лет после того, как была высказана идея. М.А.Марков и А.Е.Чудаков предложили построить такой телескоп в озере Байкал. Возглавил проект научный сотрудник ИЯИ РАН Г.В.Домогацкий (ему тогда еще не было сорока лет). С тех пор Григорий Владимирович, сейчас уже член-корреспондент РАН, руководит Байкальским нейтринным проектом.

На фото слева направо Кристиан Шпиринг (DESY, Германия) и Г.В.Домогацкий на озере Байкал.

Первые десять лет изучали воду и дно озера. В девяностых годах прошлого века были построены первые версии нейтринного телескопа в Байкале. Сделано это было впервые в мире!

В 1993 году на Байкале вступил в строй нейтринный телескоп с 36 оптическими модулями, в 1996 установка содержала уже 96 оптических модулей, в 1998 году их стало 192, а в 2005 году - 228. Для примера: сегодня один кластер содержит 288 оптических модулей.

Именно в Байкале первыми среди нейтринных телескопов зарегистрировали атмосферные нейтрино. Эти работы показали, что идея Маркова работает. Физики начали создавать другие нейтринные телескопы.

На Южном полюсе был собран сначала нейтринный телескоп AMANDA, а затем IceCube. С помощью последнего удалось сделать важнейшее открытие - кроме нейтрино, рождающихся в атмосфере Земли после взаимодействия с космическими протонами и другими ядрами, есть нейтрино, летящие откуда-то из глубин космоса. Возможно, они родились в результате катастрофических процессов миллиарды лет назад. И все эти годы нейтрино летели к нам, чтобы попасть в установку и дать мощную вспышку света. Как же много эта вспышка может рассказать ученым о том, что происходило во Вселенной 4-5 миллиардов лет назад!

В связи с открытием в эксперименте IceCube началась новая эпоха в истории Байкальского нейтринного телескопа. Стало понятно, что в байкальской воде с ее уникальными свойствами можно видеть с хорошим разрешением те части Вселенной, откуда к нам летят нейтрино.

Новый этап в истории Байкальского нейтринного телескопа связан с ОИЯИ. Астрофизические нейтрино сверхвысоких энергий, открытые на Южном полюсе Земли, положили начало новой науке - нейтринной астрономии. Байкал с его сверхчистой водой, почти не искажающей направление света, может стать решающим экспериментом в этой зарождающейся науке.

Дирекция ОИЯИ одобрила строительство нового объекта нейтринной программы объемом порядка кубического километра в воде озера Байкал, и совместная работа многих институтов закипела со все возрастающей скоростью.

В 2015 году был введен в строй первый кластер "Дубна", за сезон на каждую струну успели повесить по 24 модуля из 36. В 2016 году каждая струна состояла уже из 36 модулей. 2017 поставили второй кластер, а в 2018 третий.

Уже в 2018 году произошло знаменательное событие - Байкальский нейтринный телескоп стал самым большим нейтринным телескопом в Северном полушарии, обогнав европейские проекты KM3NET и Antares в Средиземном море. Больше нашего телескопа пока только IceCube на Южном полюсе.

И вот наступил 2019 год. Каждый год технология сборки улучшалась, надежность всех элементов росла. И теперь за один сезон делается больше, чем до этого делали за четыре!

День первый

Началась очередная экспедиция для строительства Байкальского нейтринного телескопа. В этот раз перед участниками стоит беспрецедентная задача - установить два кластера за сезон и отремонтировать вышедшие из строя части трех кластеров, установленных ранее. Новенький УАЗик собирает по Иркутску участников экспедиции. Далее - Байкальский тракт, Листвянка, выезд на лед.

С погодой в этот раз очень повезло. Весна пришла рано. Склоны гор свободны от снега.

Байкальский лед прекрасен. Местами он гладкий, как зеркало. Но встречаются полосы, как правило, недалеко от берега, где глыбы льда выдавило на поверхность, и они алмазами искрятся на солнце. Такие полосы называются торосами.

Въезд на базу нейтринного телескопа. Новенькие домики-вагончики для участников экспедиции. Внутри такой "вагончик" выглядит как мини-отель со спальнями и кухней. Есть вагончик с душевыми кабинками и комнатой для стирки. Все выполнено очень добротно и начинено современной техникой. На базе много новых машин - УАЗики, грузовые машины, краны, мощный "Урал" и даже водоплавающий вездеход.

Первая группа во главе с руководителем экспедиции Игорем Анатольевичем Белолаптиковым приехала на неделю раньше и сделала уже очень много! Я не стал отсыпаться и "приходить в себя", и сразу после обеда выехал на лед. Лагерь на льду раскинулся по большой площади. У каждой лунки, которую тут называют "майна", стоит лебедка, которая может поднять на поверхность или опустить под воду тросы с оптическими модулями.

Эти модули вытащили из глубин Байкала, чтобы отремонтировать. Они опутаны проводами, что может показаться странным, - ведь провода мешают свету попасть на фотоумножитель (ФЭУ). Разгадка в том, что конкретно у этих модулей нет внутри ФЭУ. Эти модули находятся на центральном тросе и собирают информацию с остальных модулей.

Нейтринный телескоп оброс кучей датчиков и приборов, помогающих непрерывно калибровать и мониторировать установку. Среди таких инструментов - очень мощный лазер, изготовленный по нашему заказу в РФ. Он помогает сверять часы на каждом оптическом модуле.

День второй

Утро начинается с "построения" у старого центра управления - деревянной избы. Ученые сверяют планы на день. Если планов нет, думают, чем бы заняться. Шутка. Планы есть всегда. Жизнь вносит в них коррективы.

Ученые спешат на работу, куда их доставит УАЗ. Машина зверь. Проходит везде, и пристегиваться не надо.

А вот так выглядит новенький мобильный центр управления Байкальским нейтринным телескопом. Сюда стекаются данные с установки. Дежурные напряженно всматриваются в поступающие сигналы, чтобы не пропустить нейтрино.

Итак, что нам нужно сделать сегодня? Выпилить новые майны для четвертого кластера, вытащить часть модулей со второго, разобраться с лазером, разметить трос для нескольких стрингов четвертого кластера, провести тесты части новых оптических модулей, подготовить старый центр управления к приезду новых ящиков.

Пожалуй, самым важным устройством экспедиции являются лебедки. С их помощью достают ранее установленные оптические модули или другие части установки, если они требуют ремонта, а также погружают их под воду. У Растислава Дворницки, сотрудника ЛЯП ОИЯИ, гражданина Словакии, есть своя именная лебедка. Об этом недвусмысленно свидетельствует надпись на ней. Еще более красноречивы его переживания и упреки в адрес одного из коллег, который якобы сломал Растиславу его лебедку.

Хотите понять, почему эксперимент по поиску нейтринных источников во льду сделать трудно? Для этой цели мы поставили в свободное от работы время простой опыт. Выпиленные блоки льда сложили в два столбика и посмотрели сквозь них на Солнце. Хорошо видно, что свет, проходя через 70 см льда, сильно рассеивается, весь лед светится равномерно. Вот и попробуйте определить направление на источник нейтрино! Поэтому Байкал, только чистейшая байкальская вода!

Байкал завораживает. Нередко у майны можно увидеть человека, смотрящего в водную бездну. Сколько загадок хранят в себе его глубины? А также отверток, болтов, ледорубов, инструментов... Там, подо льдом, нейтрино сигналят нам о драматических катастрофах, происходивших миллиарды лет назад где-то во Вселенной! Прочитав эти сигналы, мы узнаем, где и что происходило.

Кстати, задача для любознательных. Вода под байкальским льдом находится на глубине примерно один метр, так как толщина льда один метр. Когда лед выпилен, вода доходит почти до поверхности льда. Почему так происходит? На какое расстояние до верхней поверхности льда не доходит вода?

Если справились с этой задачей, то решите еще две. Первая. Как физики определяют, где делать майны? Как они узнают, что именно под этим прямоугольником находится струна с оптическими модулями? И вторая. А как на лебедках оказывается установленная ранее струна с оптическими модулями, готовая к поднятию?

(Продолжение следует.)