НейтринныйтелескопBaikal-GVD

Еще со школы все мы помним, что Солнце — это огромный раскаленный шар, в котором генерируется энергия. Физические процессы, в результате которых она создается, проходят в самом центре этого газового небесного тела. Их исследование позво­ляет специалистам изучать вещество в таких его состояниях, какие еще не достигнуты в земных лабораториях. Но как изучать процессы, которые происходят в самом центре Солнца? Единственный способ это сделать — регистрировать нейтрино, которые рождаются внутри звезды в процессе генерации энергии. Нейтрино — это элементарная частица с очень маленькой массой. Однако не все так просто.

В 1950-х годах астрофизики начали создавать приборы для регистрации солнечных нейтрино. По словам Буднева, с их помощью ученые к настоящему времени хорошо изучили это небесное тело и то, что в нем происходит. «А вот чтобы выяснить, как происходит генерация сверхвысоких энергий во Вселенной в объектах, которые далеко от нас, нужны детекторы, которые регистрируют нейтрино высоких энергий. Поскольку такие объекты далеко, а у нейтрино есть свойство, которое, с одной стороны, позволяет ему преодолевать гигантские расстояния, а с другой стороны — из-за которого его сложно регистрировать: это слабое взаимодействие с веществом», — поясняет ученый.

Нейтрино — электрически нейтральная частица, и ее никак невозможно увидеть, — все приборы, созданные людьми, позволяют регистрировать только заряженные. Ученые нашли решение: можно зафиксировать результат взаимодействия нейтрино с веществом, в ходе которого рождаются заряженные частицы. Чтобы сделать это, нужно создать мишень. Но астрофизические объекты далеко, взаимодействие слабое, и потому размер и масса мишени должны быть гигантскими. Сделать это на Земле очень сложно.

В 1960 году советский академик Моисей Марков сформулировал такую идею: нужно в прозрачной природной среде создать пространственную решетку из очень чувствительных приемников, которые бы регистрировали вспышки света, возникающие в результате взаимодействия нейтрино с этой средой. Это может быть вода, лед или соль.

Идея технически была сложная и дорогая. И первый проект по созданию нейтринных телескопов, несмотря на то что идея принадлежала СССР, возник в США. Создать такую установку решили в Тихом океане, в 50 километрах от Гавайских островов, на глубине пять километров. В этом проекте предполагалось участие Советского Союза, а также Японии и Германии. Проект назывался DUMAND (Deep Underwater Muon And Neutrino Detector), он стартовал в 1970-е годы. Для развертывания планировалось привлекать силы военно-морского флота США.

В августе — сентябре 1979 года в поселке Листвянка Иркутской области прошло рабочее совещание. На нем присутствовал академик Марков вместе с группой советских ученых, а также делегация США во главе с лидером американского проекта Джоном Лернером. Планировались совместные работы. «Одновременно на этом совещании наш академик Александр Чудаков предложил: на Байкале зимой есть лед, и хоть озеро и мелковато (предполагалось, что для нейтринного телескопа нужна глубина пять километров), какие-то методические испытания аппаратуры можно выполнять на нем, так как со льда это проще и дешевле, чем в океане с корабля», — рассказывает профессор Буднев.

С середины 1990-х установка активно росла, увеличивалось число детекторов в ее конструкции. Так, на смену прототипам НТ-36, НТ-72, НТ-96 и НТ-144 (число в названии означает число детекторов) пришел НТ-200. Окончательно в эксплуатацию его ввели в 1998 году — установка стала первым в мире подводным нейтринным телескопом.

До середины нулевых на НТ-200 активно изучали астрофизические нейтрино. Помимо этого, на телескопе проверяли гипотезы о природе темной материи и пытались найти магнитный монополь — гипотетическую частицу, которая обладает магнитным зарядом. Ее открытие перевернуло бы физику, поскольку сейчас науке известны только электрические заряды. Но, к сожалению, это не увенчалось успехом.

Во время работы с НТ-200 стало понятно, что для регистрации нейтрино с более высокими энергиями объем установки нужно увеличивать. Так в истории телескопа началась новая страница. Советский НТ-200 стал прототипом для нового масштабного проекта.

В конце августа на 106-м километре КБЖД непривычно тихо. В нейтринной деревне (а именно так станцию называют ученые) закончилась работа летней экспедиции и остались лишь несколько сотрудников. Они завершают последние приготовления перед зимним сезоном.

Сам телескоп находится за три километра от нейтринной деревни, а его «мозг» — в белоснежном здании береговой станции. Из этого здания дежурные могут управлять телескопом и следить за его состоянием. Вся информация отображается на нескольких мониторах. В соседней комнате находится серверная — здесь накапливаются данные, которые поступают по километровым кабелям со дна озера. Всюду на станции лежат катушки в человеческий рост, детали и запчасти машин. Здесь же, словно детские кубики, сложены желтые и оранжевые коробки — именно в них из Дубны привозят оптические модули.

За станцией шумит лесной ручей. За ним — заброшенные дома, сквозь которые уже успели прорасти кустарники. Раньше здесь, по соседству с учеными, жила большая семья. Сейчас старших уже нет в живых, а дети переехали в большие города.

До апреля на льду Байкала физики ремонтируют старые оптические модули, тестируют новые детекторы и погружают их под воду. Рабочий день в экспедиции длится девять часов, перерыв делают только на обед. Столовая у «байкальцев» находится в соседнем поселении на 107-м километре — еду для них готовят жительницы Байкальска. На обед добираются за 40 минут пешком (если есть на это время и желание) или едут по льду на УАЗе-«буханке».

Вместе с учеными и инженерами на станции трудятся рабочие из Байкальска — электрики, шоферы, крановщики и экскаваторщики. Всего в экспедиции участвуют больше 50 специалистов. Выдержать условия работы на льду могут не все — полтора месяца приходится работать без выходных. Иногда сотрудники участвуют в нескольких выездах и больше не приезжают — люди «не экспедиционные», говорит Белолаптиков.

В последние годы на Байкале образуется много торосов — нагромождений обломков льда, которые достигают нескольких метров в высоту. Машин, которые могли бы убрать их, практически не существует, поэтому физики изобретают их сами. Например, устройства, похожие на полуметровые валики с резаками, способны выравнивать ледовую поверхность — за час они проходят расстояние до 700 метров. Детали, напоминающие огромные шестеренки, прорубают до полутора метров байкальского льда — после этого рабочие смогут укладывать кабели по дну озера.

Чтобы погрузить новый модуль или достать старый, вырубают майну — отверстие во льду. Прорубь делают пешней — специальным ломом. После этого в ледяную воду погружаются водолазы. Они подцепляют буйки, которые натягивают тросы с оптическими модулями. После этого специалисты могут отремонтировать нужные детекторы.

Физики подчеркивают, что с местом установки им повезло: кроме того что работы на льду стоят в разы дешевле, чем на открытой воде, так еще и оптические модули в установке можно менять каждый год. Например, на установке-побратиме IceCube сделать такое нельзя — там «глаза» телескопа вморожены в лед, достать и отремонтировать их уже невозможно.

Однако и с работами в Байкале есть сложности. Озеро не статичный сосуд с водой, в нем существуют течения, которые постоянно смещают тросы. А физикам нужно отслеживать положение детекторов, ведь для восстановления направления и энергии нейтрино нужно знать, в какой последовательности датчики засекли частицу и где они в этот момент находились.

На телескопе есть специальная аппаратура, которая может определить положение оптических модулей в каждый момент времени. «Одни из таких приборов называются акустические модемы, они установлены на тросах. Каждые две минуты одни модемы излучают звуковые колебания, другие — их принимают. Триангуляция звуковых сигналов позволяет с точностью до сантиметра определить положение тросов во всей толще воды», — объясняет Наумов. Так ученые узнают, как гирлянды телескопа перемещаются и изгибаются в пространстве.

По КБЖД, на которой располагается нейтринная деревня, за год проезжает свыше 70 тысяч пассажиров, большая часть из которых — туристы. Но те, несмотря на то что установка находится рядом с популярными у путешественников местами, не мешают работе ученых — только интересуются. Игорь Белолаптиков рассказывает: зачастую люди удивляются тому, что на Байкале развернут научный проект мирового уровня. «Однажды немцы приехали сюда зимой — тогда „Мотаня“ (так местные называют пригородный поезд. — Прим. ред.) ходила рано утром, — вспоминает ученый. — Они пришли в лагерь пешком. На улице было за 20 градусов мороза. Пришли увидеть, что здесь на самом деле ведутся работы».

Местные жители относятся к ученым хорошо и всегда готовы помочь — заготовить дрова или выполнить какую-то работу на льду. В обмен на это физики предоставляют им доступ в интернет и иногда помогают с техникой. Однако несколько раз у физиков возникали проблемы из-за рыбаков. До того, как в Иркутской области был введен запрет на ловлю омуля, потерянные рыбацкие сети запутывались на тросах телескопа. Ученым приходилось вызывать водолазов для дополнительных погружений, чтобы снять сети с установки.

Ученые, которые работают на нейтринном телескопе, не только создают фундамент для будущих открытий об элементарных частицах и космосе, но и помогают коллегам из других отраслей — лимнологам, океанологам и химикам — вести перспективные исследования. Например, физики попутно создали ряд высокочувствительных приборов для изучения водных глубин. А одно из их открытий стало совершенно неожиданным.

Телескоп должен регистрировать вспышки света, возникающие в результате взаимодействия нейтрино с водой. Увидеть их можно только в темноте на глубине. Когда ученые начали эту часть исследования, оказалось, что солнечный свет проходит в Байкал примерно на 500 метров, не дальше, а затем начинается собственное свечение озера.

«Это свечение — хемилюминесценция. В Байкале основной объем биомассы составляют бактерии — они живут и умирают, выделяют в водную среду различные вещества. Эти вещества включают в себя активные химические радикалы, при соединении которых с кислородом рождается свет. И свечение является в том числе индикатором биологической активности», — рассказал Николай Буднев. Он добавил, что хемилюминесценция, хоть и является своеобразной помехой для исследований, все же не помешала им радикально.

Во многом, наоборот, уникальная экосистема Байкала стала помощником для физиков во время работы с нейтринным телескопом. И подружиться с ней им помогали сотрудники Лимнологического института. Одна из них — кандидат географических наук Елена Троицкая, она уже около 20 лет участвует в экспедициях на 106-м километре КБЖД.

Зимой, когда сотрудники обсерватории заняты развертыванием новых кластеров, лимнологи проводят свои работы на буйковых станциях. Одна из таких находится в пределах ледового лагеря. Елена Троицкая рассказывает, что физики всегда помогают лимнологам в работах, когда необходимо сделать майны и достать датчики из воды. Взамен те рассказывают о процессах в водной толще Байкала.

На буйковых станциях установлены детекторы — при помощи них лимнологи могут измерять температуру воды, давление, скорость и направление течений. Также на них есть специальные ловушки, которые собирают взвешенное вещество на разных глубинах озера. Благодаря таким данным ученые могут рассказать о процессах, протекающих в водной толще Байкала, влиянии климата на температуру озера и состоянии экосистемы. По словам Троицкой, за все время работы телескопа у ученых накопился большой массив данных об озере.

Троицкая подчеркивает, что по процессам, протекающим в воде, экосистема Байкала близка к морям и океанам. Она очень устойчива, при этом сложно предсказать, как проблемы в прибрежной зоне (например, засилие водоросли спирогиры или выбросы отходов с БЦБК) отразятся на всем озере в перспективе десятков лет. Поэтому ученым важно регулярно отслеживать состояние озера и вовремя распознать «красные флаги».

Сейчас перед командой ученых стоит задача не только нарастить масштабы установки, но и улучшить методы работы с данными. Этим в том числе занимается молодой ученый из НИИ прикладной физики Ирина Перевалова.

Она рассказывает, что в данных, которые поступают с телескопа, очень много засветки. «Мы проводим первичную обработку данных, отсеиваем „шум“ от Солнца (летит много фотонов и других частиц) или хемилюминесценцию», — объясняет ученый. Только после такой обработки специалисты смогут создать модель события и найти источник нейтрино.

Сейчас физики обрабатывают данные вручную. В основном этим занимаются ученые из Дубны и несколько человек из Иркутска. «Команда у нас очень широкопрофильная. Сейчас люди сидят, обрабатывают данные [на местах], потом в феврале — апреле они приедут на Байкал», — говорит физик.

Ирина Перевалова также ведет лекции на физическом факультете Иркутского госуниверситета и старается приобщить своих студентов к реальной науке, привлечь их к работе на телескопе. «Мы понимаем, что если мы хотим себе хороших специалистов, то мы должны их вырастить, воспитать и всему научить», — говорит Перевалова. По ее словам, на Baikal-GVD сейчас необходимы разные специалисты — и программисты, и инженеры, и физики-теоретики.

«Байкальский телескоп для ИГУ — это жизненная артерия, проект мирового уровня, сравнимый только с IceCube, — говорит Перевалова. — Это и деньги, и рабочие места, и показатель, что у нас в регионе что-то делают. Это серьезная мировая наука, и нужно всеми силами развивать проект».

Однако главный практический результат эксперимента ученые видят в построении глобальной физической картины. «Это естественный интерес, любопытство, попытка попробовать зайти туда, куда человечество еще не дотягивалось. Этим же, наверное, руководствуются и альпинисты, покоряющие разные вершины. Любопытство, чтобы попробовать понять, как устроен наш мир, — это для нас главный драйв», — говорит Дмитрий Наумов.

Возможно, в далеком будущем ученые смогут воспользоваться опытом создания нейтринных телескопов, — в теории, при помощи нейтрино можно исследовать состав Земли или изобрести принципиально новый вид связи. Но пока, в ближайшее десятилетие, ученые со всего мира будут приезжать на Байкал, совершенствовать установку и ждать посланников из далеких галактик — загадочные частицы нейтрино.