Изучение различных космических явлений, а также тел, связанных с ними, происходит посредством регистрации частиц, излучаемых указанными объектами. Достигая Земли, такие излучения могут быть зарегистрированными учеными при помощи разного типа телескопов.

Разбираемся что же такое нейтрино

Поток протонов и более тяжелых ядер могут достигать огромных энергий (10²¹ эВ).  Однако по причине того, что эти частицы имеют электрический заряд – они взаимодействуют с магнитосферой Земли и теряют часть своей энергии, а также информацию о траектории. В силу данного явления определить источник и природу этих частиц становится невозможным.

К незаряженным частицам, которые можно принять из космоса относятся фотоны. И хотя астрономы наблюдают их в очень широком диапазоне, все же фотоны высоких энергий (>100 ГэВ) слишком быстро поглощаются и не позволяют определить их источник. По этой причине дальность видимости астрономов ограничена некоторым расстоянием и в дальние области Вселенной заглянуть не удается.

Однако, существует еще одна частица, которая не имеет заряд и при этом слабо взаимодействует с веществом – нейтрино. Такие частицы рождаются во взаимодействиях ядер и протонов с веществом тела-источника. В силу слабого взаимодействия с любыми материалами и электромагнитным полем нейтрино способны беспрепятственно путешествовать на огромные расстояния, при этом не меняя своей траектории. Эти свойства нейтрино дают ученым возможность наблюдать за дальними уголками Вселенной посредством регистрации и исследования прилетающих из космоса нейтрино.

Можно провести сравнение с видимым светом Солнца и наблюдением за ним при помощи основного оптического инструмента человека —  глаза. Как только Солнце заходит за горизонт, то видимый свет, который не способен проходит сквозь Землю, не доходит до зрачка глаза и не может быть замечен человеком. Однако, если бы глаз улавливал не свет, а нейтрино, излучаемое Солнцем, то человек мог бы увидеть Солнце буквально сквозь Землю, так как нейтрино способны пролетать сквозь Землю. По этой причине ученые способны увидеть намного больше информации о космических процессах и телах при помощи инструментов, способных регистрировать нейтрино – нейтринных телескопах.

Регистрация нейтрино посредством черенковского излучения

Но конструирование инструмента, способного уловить такие «неуловимые» частицы как нейтрино – совершенно непростая задача. Ведь как уже было сказано ранее – эти частицы практически не взаимодействуют с окружением.

Моисей Марков – советский физик-теоретик, который провел немало работ в области физики нейтрино, обосновал возможность наблюдения нейтрино в подземных обсерваториях. В 1960-м году Моисей Александрович предложил регистрировать нейтрино в озерах и океанах – глубоко под водой. Это возможно посредством так называемого черенковского излучения. Дело в том, что скорость света при прохождении сквозь воду несколько падает в силу взаимодействия фотонов с водой. В это же время нейтрино в результате малых взаимодействий с водой порождает множество заряженных частиц, которые имеют высокую энергию и движутся сквозь воду быстрее, чем фотоны – то есть чем свет, который движется в воде.

В случае, когда заряженная частица движется сквозь прозрачную среду со скоростью больше скорости света в этой среде – она излучает большое количество фотонов, которые можно зарегистрировать. Это явление и получило название — эффект Вавилова — Черенкова.

Таким образом, пролетающие сквозь воду нейтрино, при взаимодействии со средой выделяют заряженные частицы вроде мюонов (в 100-200 раз тяжелее электрона) или целые каскады частиц, состоящих из электронов и позитронов. Эти заряженные частицы движутся в воде со скоростью больше скорости света в воде, а потому выделяют огромное количество фотонов, которые и улавливаются нейтринными телескопами.

В силу «экзотических» особенностей регистрации нейтрино, нейтринные телескопы совсем не похожи на оптические или радио, а скорее напоминают какие-то установки, используемые в физике элементарных частиц. Регистрация производится посредством фотодетекторов, улавливающих то самое черенковское излучение. Для усиления данного излучения в детекторы также должны входить фотоэлектронные умножители – приборы, усиливающие поток фотонов в 10 000 раз.

Подводные нейтринные телескопы первого поколения

• DUMAND

С момента предложения указанной концепции инструмента, регистрирующего нейтрино, в США началась разработка подобного телескопа. В 1970-х обсуждалась целесообразность такого проекта, а в 1980-х был разработан проект DUMAND. Согласно плану, устройство должно было иметь около 20 000 умножителей, равномерно расположенных в кубическом километре в океане, около берегов Гавайи. Подводные структуры таких грандиозных масштабов ранее не создавались и по этой причине реализация американского нейтринного телескопа происходила довольно медленно. В 1988-м году количество фотоумножителей телескопа было уменьшено до 216-ти, которые должны были располагаться на девяти лентах, похожих на гирлянды. Первая из этих гирлянд была установлена в 1993-м году, однако конструкция пропустила воду и коннектор, связывающий телескоп с берегом претерпел короткое замыкание и вышел из строя. Долгая реализация проекта, а также неудача при первой установке вынудила власти США прекратить финансирование данных исследований.

• НТ-200

Параллельно с этими событиями происходила разработка нейтринного телескопа в СССР. В 1980 для этих целей было решено использовать озеро Байкал, который имеет достаточную глубину, а также очень прозрачную воду. Для решения поставленной задачи была создана коллаборация под названием «Байкал», в которую вошло несколько институтов, в том числе Институт ядерных исследований РАН (тогда просто Академии наук). В 1994-м году развертка НТ-200 на дне Байкала была окончена. Нейтринный телескоп содержал почти 200 оптических модулей (196), и в том уже году смог зарегистрировать первые нейтрино.

• AMANDA

Несколько позже американцы совершили вторую попытку создания нейтринного телескопа, на этот раз во льдах Антарктиды, так как лед также является прозрачной средой. Бурение скважины происходило с использованием горячей воды, далее в скважину опускались фотоумножители. На проведение указанной операции у ученых было всего 48 часов, после чего скважина вновь замерзала. Данный детектор представлял собой 677 оптических модулей, которые располагались на 19-ти отдельных кабелях, помещенных на глубину 1500-1900 метров и образующих кольцо диаметром 200 метров. Проект был назван AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) и был реализован в течение пяти лет (1995-2000 гг.).

НТ-200 и AMANDA стали нейтринными телескопами первого поколения.

В 2008-м году евразийской коллаборацией (в т.ч. МГУ) была разработана еще одна подводная установка для регистрации нейтрино описанным способом – ANTARES. Она продолжает работу и сегодня – в Тулонской бухте вблизи Франции. Данная установка состоит из 12-ти 30-тиметровых вертикальных гирлянд, крепящихся ко дну одним концом и к бую – другим, и имеющих на себе по 75 оптических модулей. Гирлянды располагаются на расстоянии 70-ти метров друг от друга.

Дальнейшее развитие подводных нейтринных телескопов

Три упомянутых нейтринных детектора показали принципиальную возможность регистрации космических нейтрино из дальних областей Вселенной. Однако, в то же время стало ясно, что существующие размеры детекторов крайне малы для желаемой интенсивности регистрации, и для данной цели потребуются телескопы объемом порядка кубического километра. В результате этого во всех трех местах начались работы по реализации проектов такого масштаба.

• IceCube

Первым завершенным проектом стал наследник детектора AMANDA — нейтринная обсерватория IceCube («ледяной куб»), которая располагается в Антарктиде, на станции Амундсен-Скотт – прямо у Южного полюса Земли. Детекторы телескопа в виде гирлянд располагаются на глубине от 1450 до 2450 метров, каждая такая гирлянда имеет 60 фотоумножителей. Проект получил название «ледяной куб» так как общий объем, с которого производится регистрация черенковского излучения составляет 1 кубический километр. IceCube детектирует нейтрино, которые идут со стороны Земли. Такая настройка позволяет отфильтровать поток нейтрино от общего потока частиц, которые могут приходить из атмосферы или космоса. Насколько известно ученым – только нейтрино способно пролететь сквозь вещество Земли. Таким образом IceCube, находясь на Южном полюсе, улавливает частицы, приходящие с северной стороны планеты. Запуск данного современного детектора в 2011-м году ознаменовал начало эры нейтринной астрономии. К 2028-му году планируется расширить данный нейтринный телескоп до 10 кубических километров.

Несмотря на свои масштабы, установка IceCube все же имеет недостатки, которые вызваны тем, что лед все же несколько рассеивает рождаемые внутри фотоны, а потому, говоря простыми словами, получаемое изображение из космоса несколько размыто. В воде же рассеивание фотонов практически нет и точность наблюдений будут значительно точнее. Это оправдывало постройку нейтринных телескопов в двух других упомянутых местах.

• KM3NeT

В 2010-х началось создание массива нейтринных телескопов на дне Средиземного моря. В трех локациях, у берегов Франции (KM3NeT-Fr), Италии (KM3NeT-It) и Греции, планировалось расположить по два блока детекторов, каждый объемом около 0,5 кубического километра. В 2015-м году первая гирлянда детекторов KM3NeT-It была установлена недалеко от обсерватории ANTARES у берегов Сицилии и в декабре того же года новый телескоп начал регистрировать нейтрино. Каждый блок KM3NeT-It будет располагаться на глубине около 3400 метров и гирлянды высотой около 700 метров образуют область детектирования объемом 0,5 кубического километра. Оптические модули располагаются на гирлянде на расстоянии в 20 метров друг от друга. Французский детектор KM3NeT-Fr планируется поместить на глубину в 2475 метров. И хотя он будет иметь столько же узлов сколько их у KM3NeT-It, его размеры будут в 250 раз меньше итальянского, так как узлы будут значительно ближе друг к другу. В связи с этим KM3NeT-Fr сможет заняться поиском нейтрино меньших масс. Завершение установки всех шести блоков KM3NeT планируется к 2025-му году.

• Baikal-GVD

Кубокилометровая версия нейтринного телескопа разрабатывается и в России. Так коллаборация «Байкал» в 2015-м году развернула первый кластер гирлянд под названием «Дубна». Кластер представляет собой 192 сферических оптических модуля, расположенных на нескольких гирляндах на глубине 1300 метров на дне озера Байкал. К 2020-му году планируется развертывание установки из 10-12 кластеров, общим объем которых составит около 0,5 кубического километра.

Для совместного анализа данных с трех наибольших нейтринных детекторов все три коллаборации («Байкал», коллаборации обсерваторий KM3NeT и IceCube) объединились в международный консорциум — Глобальная нейтринная обсерватория.

Подземные нейтринные детекторы

Помимо нескольких подводных нейтринных детекторов существуют также подземные детекторы, работающие по тому же принципу. Их отличие в том, что для детектирования используется искусственный резервуар со специальной водой. Также благодаря своему расположению данные телескопы используют земные породы в качестве фильтра частиц, избавляющих детекторы от регистрации стороннего (фонового) излучения, вроде космического.

• Super-Kamiokande

Наибольшим подземным нейтринным детектором является Super-Kamiokande, который располагается несколько севернее Токио, в цинковой шахте на глубине 1 км. Детектор представляет собой резервуар диаметром 40 метров и высотой 42 метра, который состоит из нержавеющей стали. Он заполнен 50 000 тонн очищенной воды. На стенах резервуара находятся 11 146 фотоумножителей, высокая чувствительность которых позволяет зарегистрировать даже один квант света. Постройка Super-Kamiokande была завершена в

далеком 1996-м году и с тех пор количество его фотоэлектронных умножителей растет.

• SNO

Еще один детектор, в разы меньший Super-Kamiokande, расположен около канадского города Садбери в шахте на глубине двух километров — Sudbury Neutrino Observatory. SNO – акриловая сфера диаметром 12 метров и толщиной стенок – 5,5 см, которая заполнена тяжелой водой D₂O и покрыта 9 600 фотоумножителями. Сама сфера располагается в резервуаре с чистой водой, во избежание попадания в детектор продуктов распада тория и урана, которые рождаются в горной породе снаружи шахты. SNO не рассчитан на регистрацию нейтрино из дальних уголков космоса, а используется для изучения нейтринного излучения Солнца. Прослужив с 1999-го по 2006-й год, на данный момент детектор завершает процесс переоборудования. Была запланирована замена тяжелой воды

на жидкий линейный алкилбензол, который увеличит чувствительность детектора.

Помимо упомянутых детекторов, основанных на эффекте Вавилова — Черенкова, существует множество иных детекторов, работающих по другому принципу. Зачастую такие детекторы регистрируют нейтрино посредством его взаимодействия с более тяжелыми материалами, чем вода, и предназначены скорее не для наблюдения за Вселенной, а для изучения свойств самих нейтрино.