Горизонты научного поиска

Первый кластер

глубоководного нейтринного телескопа кубокилометрового масштаба Baikal-GVD вступил в строй на озере Байкал

В первых числах апреля учеными Института ядерных исследований Российской академии наук и Объединенного института ядерных исследований (Дубна), а также ряда российских научных организаций, входящих в коллаборацию "Байкал", развернут и введен в эксплуатацию уникальный экспериментальный комплекс - глубоководный нейтринный телескоп мультимегатонного масштаба "Дубна" на озере Байкал. Он является первым кластером создаваемого нейтринного телескопа кубокилометрового масштаба Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector).

Детектор предназначен для исследования природного потока нейтрино высоких энергий. Нейтрино, пройдя сквозь толщу Земли, может с некоторой вероятностью провзаимодействовать в воде озера Байкал и породить каскад заряженных частиц. Черенковский свет от заряженных частиц распространяется в воде озера и регистрируется оптическими модулями установки. Кластер "Дубна" содержит в своем составе 192 оптических модуля, погруженных на глубины до 1300 м и уже является одним из трех наиболее крупных детекторов нейтрино в мире. Следующим этапом развития проекта станет последовательное увеличение объема телескопа за счет развертывания новых кластеров. К 2020 году планируется создание установки, состоящей из 10-12 кластеров общим объемом порядка 0,5 куб. км, сопоставимым с чувствительным объемом мирового лидера - эксперимента IceCube для регистрации нейтрино астрофизической природы. Регистрация нейтрино на Байкале позволит понять высокоэнергичные процессы, протекающие в далеких астрофизических источниках, установить происхождение космических частиц самых высоких когда-либо зарегистрированных энергий, открыть новые свойства элементарных частиц и узнать много нового об устройстве и эволюции Вселенной в целом.

Академик В.А.Рубаков, руководитель секции ядерной физики Отделения физических наук РАН:

- В ансамбле известных на сегодня элементарных частиц нейтрино занимает позиции одного из легчайших его участников и прочно закрепило за собой в последние десятилетия статус величайшей "интриганки". Уникальность этой частицы как носителя информации о процессах, протекающих во Вселенной, обусловлена ее сверхслабым взаимодействием с веществом.

Природный поток нейтрино несет в себе богатейшую и во многих отношениях уникальную информацию об окружающем нас мире. Исследование этого потока в различных энергетических диапазонах способно дать ключ к пониманию ранних стадий эволюции Вселенной, процессов формирования химических элементов, механизма эволюции массивных звезд и взрывов Сверхновых, пролить свет на проблему темной (невидимой) материи, на состав и внутреннее строение Солнца сегодня и в достаточно удаленном прошлом, и даже продвинуться в понимании проблемы внутреннего строения одного из наиболее трудных для изучения объектов - планеты Земля.

Академик В.А.Матвеев, директор Объединенного института ядерных исследований:

- Идея регистрации элементарных частиц на крупномасштабных черенковских детекторах в естественных прозрачных средах была впервые высказана в начале 60-х годов прошлого века выдающимся советским ученым М.А.Марковым. По предложению А.Е.Чудакова в СССР началась разработка метода глубоководного детектирования, ориентирующаяся на озеро Байкал как полигон для испытаний и место развертывания будущих крупномасштабных нейтринных телескопов. Выбор Байкала был обусловлен высокой прозрачностью пресных глубинных вод, глубиной озера, наличием ледового покрова, позволяющего в течение двух зимних месяцев вести с него монтаж глубоководной аппаратуры. Датой начала Байкальского нейтринного эксперимента можно считать 1 октября 1980 года, когда в Институте ядерных исследований АН СССР (ныне ИЯИ РАН) была создана лаборатория нейтринной астрофизики высоких энергий под руководством Г.В.Домогацкого, ставшая впоследствии ядром Байкальской коллаборации. В ее состав на разных этапах входили Объединенный институт ядерных исследований (Дубна), Иркутский государственный университет, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, исследовательский центр DESY-Zeuthen (Германия), Нижегородский государственный технический университет, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет и ряд других научно-исследовательских организаций России, Венгрии, Германии, Чехии, Словакии. В настоящее время, на стадии обсуждения - участие Краковского института ядерной физики (Польша).

В период с 1993 по 1998 годы на Байкале был развернут первый в мире глубоководный нейтринный телескоп НТ200, содержавший 192 фотодетектора, сгруппированных в восемь вертикальных гирлянд, размещенных на глубине 1100-1200 м и охватывающих 100 000 кубических метров пресной воды. Уже из набора экспериментальных данных 1994 года были выделены первые в мировой практике глубоководных и подледных экспериментов события от нейтрино. Реализована широкая программа научных исследований и получены одни из наиболее значимых для своего времени результатов в задачах поиска нейтрино от локальных источников, диффузного потока нейтрино; получены ограничения на величину потока магнитных монополей и потока мюонов от распада частиц темной материи в центре Земли и Солнца.

Идея глубоководной регистрации в своей ледовой модификации, когда вместо естественного водоема фотодетекторы погружаются в прозрачный антарктический лед, привела к созданию на Южном полюсе нейтринного телескопа IceCube объемом 1 куб. км (ведущие участники коллаборации - США, Германия, Швеция), на котором были впервые зарегистрированы в 2010-2013 гг. "астрофизические" нейтрино высоких энергий, то есть нейтрино, родившиеся за пределами Солнечной системы. Регистрация этих нейтрино, ознаменовавшая рождение нейтринной астрономии, поставила на повестку дня необходимость создания нейтринных телескопов близкой мощности в Северном полушарии с тем, чтобы вести исследование источников нейтрино высоких энергий по всей небесной сфере. ОИЯИ, уже имеющий многолетний опыт участия в байкальском нейтринном проекте, принял решение рассматривать работу по созданию крупномасштабного нейтринного телескопа Baikal-GVD в качестве одного из своих научных приоритетов.

Член-корреспондент РАН Г.В.Домогацкий, координатор Байкальского нейтринного проекта:

- Успешная эксплуатация на протяжении свыше десяти лет нейтринного телескопа НТ200 и результаты анализа полученных на нем данных доказали эффективность метода глубоководной регистрации нейтрино в пресной воде Байкала. Следующим шагом стала разработка проекта телескопа нового поколения Baikal-GVD с просматриваемым объемом водной массы порядка 1 куб. км. В течение 2006-2010 годов были разработаны, изготовлены и испытаны в натурных условиях образцы всех базовых элементов и систем телескопа Baikal-GVD. Телескоп будет иметь модульную структуру, формируемую из функционально независимых установок - кластеров вертикальных гирлянд оптических модулей. Модульная структура телескопа позволит вести набор экспериментальных данных уже на ранних этапах развертывания установки и обеспечит перспективу практически неограниченного наращивания его объема. Выбранная структура телескопа позволит также изменять его конфигурацию по мере изменения научных приоритетов.

Сборка гирлянд оптических модулей

В 2011 году начался заключительный этап комплексных натурных испытаний элементов и систем телескопа, завершившийся в 2015-м созданием глубоководной установки "Дубна" - первого кластера нейтринного телескопа Baikal-GVD. Кластер содержит 192 фотодетектора, размещенных на 8 вертикальных гирляндах длиной 345 м каждая, и является одним из двух наиболее мощных детекторов нейтрино высоких энергий в Северном полушарии. Следующим этапом развития проекта Baikal-GVD станет последовательное увеличение объема телескопа за счет развертывания новых кластеров. К 2020 году планируется создание установки, состоящей из 10-12 кластеров общим объемом порядка 0,5 куб. км, сопоставимым с чувствительным объемом IceCube для регистрации нейтрино высоких энергий астрофизической природы. Ожидается, что вторая очередь телескопа будет содержать 27 кластеров с общим объемом порядка 1,5 куб. км.

Кристиан Шпиринг, бывший официальный представитель коллаборации IceCube и глава проекта Global Neutrino Network:

- Сделан важный и волнующий шаг в создании нейтринного телескопа нового поколения на озере Байкал. Такой телескоп станет центральной установкой будущей международной нейтринной обсерватории, в которую будут входить детекторы на Южном полюсе, в Средиземном море и на озере Байкал. Коллаборация Байкал стала основоположником этой технологии в 80-е и 90-е годы и провела измерения частиц нейтрино, рождающихся в атмосфере Земли. Два десятилетия спустя, в 2013 году детектор IceCube в Антарктике зарегистрировал первые нейтрино высоких энергий далеко за пределами Земли и Солнечной системы. Это открытие, которое давно ждали, ускорило создание проектов подобных больших детекторов в Северном полушарии. С вводом в эксплуатацию кластера "Дубна" коллаборация Байкал выходит на ведущие позиции в этих исследованиях.

Детектор IceCube лишь немного приоткрыл завесу тайны нейтрино высоких энергий во вселенной. В будущем партнеры по проекту Global Neutrino Network составят полную карту этой новой космической территории. Нас ждут великие научные открытия на озере Байкал!

Институт ядерных исследований РАН,
Объединенный институт ядерных исследований,
пресс-релиз от 19.05.2015