«Поймать рядового Нейтрино»

Каждую зиму, когда на южном Байкале встает лед, сюда приезжает команда физиков. В четырех километрах от мыса Ивановского, который находится между 106-м и 107-м километрами КБЖД, разворачивается экспедиционный городок. Здесь, посреди «белого ничто», ученые воплощают в жизнь проект из разряда мегасайнс: в течение месяца — с конца февраля до начала апреля, пока позволяет природа — они погружают в глубины Байкала оборудование, похожее на увеличенные стеклянные елочные шары с «начинкой» внутри. Это оптические модули нейтринного телескопа Baikal-GVD — крупнейшей глубоководной обсерватории в Северном полушарии.

Модули ловят «частицы-призраки», способные рассказать о том, как формировалась Вселенная еще до возникновения Земли, и дальше — Солнечной системы. Нейтрино, образовавшиеся 5 миллиардов лет назад, по сей день долетают до земной поверхности.

— Нейтрино, которые мы ловим здесь, дают возможность изучить тайны Вселенной, проблемы и вопросы возникновения новых галактик и различных экзотических объектов в космосе. Эти нейтрино родились где-то, когда-то при слиянии черных дыр, или вспышке сверхновой, или при рождении галактик, сотни световых лет путешествовали, прилетели к нам и рассказывают, с какими объектами встречались. Мы можем по характеристике нейтрино сказать, в какой системе они родились, сквозь какую летели. Когда вы можете проанализировать историю, вы можете спрогнозировать будущее, — делится директор Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) академик РАН Григорий Трубников.

— Нейтринная астрономия возникла не так давно. Как только в 1956 году существование нейтрино было подтверждено экспериментально, в 1960 году наш академик Моисей Марков предложил эту идею на Рочестерской конференции. Он же и обозначил, что в большие открытые водоемы можно опускать шары. Тогда это было концептуальное предложение, которое сейчас воплощено на практике. Оборудование разрабатывали в 1980-х годах, запустили в 1998 году и впервые в мире зарегистрировали этим методом нейтрино — здесь, именно на Байкале. Потому мы уже в учебниках истории есть, — говорит старший научный сотрудник ОИЯИ Баир Шайбонов.

У самых истоков этого уникального проекта стоял НИИ прикладной физики ИГУ. Работы по проектированию телескопа и установке первых оптических модулей (детекторов) начались еще в 1987 году. Телескоп первого поколения был небольшим. НТ200 — так он назывался — включал в себя 192 фотодетектора, сгруппированных в восемь вертикальных гирлянд, размещенных на глубине 1100—1200 метров и охвативших 100 тысяч кубических метров пресной воды.

На нем «обкатали» все механизмы и схемы работы, что позволило создать технически более «прокачанный» телескоп.

Baikal-GVD — это все те же гирлянды, которые «зонтиком» спускаются на глубину. Как рассказывает директор Института ядерных исследований РАН Максим Либанов, этот параметр имеет огромное значение. «Поймать» нейтрино можно лишь в абсолютной темноте. Вернее, зафиксировать вспышки света от взаимодействия частиц с водой. По-научному они называются черенковским излучением — свечением в прозрачной среде от частицы, которая движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде.

— Здесь, в этой точке Байкала, глубина составляет 1,5 километра. Первые 700 метров тут ничего нет, сам телескоп начинается с 700 метров, а дальше — высота Останкинской башни, 540 метров. То есть оборудование опускается почти до дна. Все наши кабели, по которым передаются информация и питание, проходят по дну — и это важно, — говорит Максим Либанов.

Чтобы опустить гирлянду на дно, на трос сначала крепится металлическая кошелка, в которую загружаются резаные рельсы. Общий вес этого тяжелого якоря — 1,2 тонны. Затем на тросы крепят сами оптические модули, группируя их в секции по 12 штук. Для каждой монтируется мастер-модуль, куда передается информация с конкретной секции.

Черенковское излучение фиксируют «глаза» телескопа — сверхчувствительные фотоумножители. Стоимость одного такого достигает 4 миллиардов рублей, говорит и. о. начальника экспедиции Игорь Белолаптиков. С его помощью физики узнают об интенсивности пучка света, времени прихода, что уже дает понимание, откуда частица прилетела и какой энергии была. Бывает так, что на фотоумножитель прилетают три фотона, а регистрируется только один. Эти частицы — «товар» единичный.

После первичной обработки данных мастер-модуль направляет информацию в центр кластера — своеобразный суперкомпьютер. Именно он по оптическому кабелю в режиме реального времени отправляет все сведения, которые собираются круглогодично, на берег. Кстати, информация после обработки сырых данных доступна для ученых всего мира. В идеале же научное сообщество стремится создать на Земле сеть из разных телескопов, чтобы с точки зрения разных характеристик описать произошедшее космическое событие и представить цельную картину.

Baikal-GVD дает базу для изучения материй, которые для большинства жителей Земли представляются настолько абстрактными понятиями, что их невозможно неподготовленному человеку уложить в голове. Но загадками Вселенной работа телескопа не ограничивается. На самом деле это оборудование дает мультипликативный эффект. Первое, что приходит на ум — это вопросы, связанные с экосистемой Байкала. Физики из первых рук получают информацию о температуре, биоразнообразии озера.

— Прикладной аспект, который дает нейтрино сегодня, — это знания, которые помогут сохранить Байкал, и само озеро, и его биоразнообразие, это данные и информация о сейсмологической обстановке. Кроме того, нейтрино — это не только сверхэнергетичные частицы из далеких уголков Вселенной. Это также и геонейтрино, то есть частицы, которые рождаются в ходе ядерных реакций в ядре Земли и проходят сквозь всю толщу планеты, и мы их тоже регистрируем. А это данные о строении земной коры в окрестностях Байкала, и мониторинг сейсмической активности, и указания на месторождения полезных ископаемых, — говорит академик РАН Григорий Трубников.

Польза от нейтринного телескопа шагнет далеко за пределы Байкальского региона, добавляет ученый. В горизонте трех-пяти лет высокие технологии, которые используются для функционирования Baikal-GVD, окажутся в нашей повседневной жизни: в смартфонах, навигаторах, системе ГЛОНАСС, высокоскоростном транспорте. Это все требует сверхчувствительной электроники, чтобы позиционировать точку на земной поверхности со спутника с точностью до миллиметра. А для байкальского нейтринного телескопа используется микроэлектроника, которая с фантастическими мощностями может измерять энергию, скорость, тип частиц, расстояние, дистанции.