Нейтрино – незаряженные элементарные частицы с очень маленькой массой. Они слабо взаимодействуют с магнитными полями, не скрадываются космической средой. Считается, что только эти частицы способны пройти Землю насквозь, а одного человека за сутки «прошивает» триллион нейтрино. Южный Байкал – одна из трёх точек мира, где с помощью сверхточного оборудования регистрируют «частицы-призраки». Об этом – материал Телеинформа. 

Каждую зиму, когда на южном Байкале встаёт лёд, сюда приезжает команда физиков. В четырёх километрах от мыса Ивановского, который находится между 106 и 107 километрами КБЖД, разворачивается экспедиционный городок. На фоне заснеженных вершин Хамар-Дабана он выглядит как какая-нибудь арктическая станция: эта ассоциация возникает тут же, как только видишь посреди ледяного байкальского поля оборудование, кунги и людей в красно-серой амуниции. Перед глазами появляются образы из научно-популярных фильмов, и иллюзию развеивают лишь горы Олхинского плато по правую руку и Приморский хребет за спиной. 

«Поймать рядового Нейтрино»: как из глубин Байкала исследуют тайны Вселенной 
 
Здесь, посреди «белого ничто», учёные 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  ёлочные шары с «начинкой» внутри. Это оптические модули нейтринного телескопа Baikal-GVD – крупнейшей глубоководной обсерватории в Северном полушарии.  


В толщу байкальской воды на протяжении нескольких лет опустили больше 1,4 тысяч оптических модулей. Модули, объединённые в восемь гирлянд, на каждой из которых 36 шаров, составляют кластеры. До конца марта будет полностью запущен восьмой кластер, число оптических приборов достигнет 2,3 тысяч. Уже к середине апреля 2021 года начнётся сбор данных с самого большого объёма в Северном полушарии. Baikal-GVD, стоимость которого на сегодня уже достигает 2,5 миллиардов рублей, по ряду показателей сравняется с установкой IceCube в Антарктиде. 

«Итальянец» нейтрино 

Baikal-GVD, IceCube, а ещё глубоководный телескоп Antares в Средиземном море работают на одну цель: они ловят «частицы-призраки», способные рассказать о том, как формировалась Вселенная ещё до возникновения Земли, и дальше – Солнечной системы. Нейтрино, образовавшиеся 5 миллиардов лет назад, по сей день долетают до земной поверхности. 

Нейтрино слабо взаимодействуют с веществом, именно потому их так сложно «поймать за бороду и посадить в пробирку». Кстати, такое название частице дал физик Энрико Ферми: нейтрино с итальянского языка переводится как нейтрончик. На то, чтобы получить экспериментально нейтрино, ушло 26 лет. Сделали это американские учёные Клайд Коуэн и Фредерик Рейнес. За это в 1995 году была присуждена Нобелевская премия. 

«Поймать рядового Нейтрино»: как из глубин Байкала исследуют тайны Вселенной 
В таких утеплённых ящиках хранятся модули. Справа – Игорь Белолаптиков 

Сейчас учёные считают, что нейтрино способны долетать до Земли практически в первозданном виде, и именно это даёт исследователям невероятные возможности рассмотреть поближе загадки эволюции Вселенной. 

– 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 чёрных 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 Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ), академик РАН Григорий Трубников. 

«Мы уже в учебниках истории» 

ОИЯИ – международная межправительственная научно-исследовательская организация в наукограде Дубна Московской области. Учредителями являются 18 государств. Учреждение, наряду с Институтом ядерных исследований РАН и Иркутским государственным университетом, являются титульными организациями, которые вошли в коллаборацию для создания губоководного нейтринного телескопа на Байкале. Вместе с ними над проектом телескопа второго поколения работают учёные из Польши, Чехии, Словакии, Германии и специалисты десятков российских научных институтов и организаций. 

Baikal-GVD монтируют с 2015 года, но история нейтринной астрофизики на Байкале началась задолго до того. Ещё в 1998 году на озере развернули телескоп первого поколения. 

– 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 водоёмы 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. 

«Поймать рядового Нейтрино»: как из глубин Байкала исследуют тайны Вселенной 
Установка с лебёдкой, которая обеспечивает натяжение гирлянд 

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

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

«Записки» со дна Байкала 

Baikal-GVD – это всё 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. 

«Поймать рядового Нейтрино»: как из глубин Байкала исследуют тайны Вселенной 
Так выглядят кластеры телескопа Baikal-GVD, рисунок Института ядерных исследований РАН 

– 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 передаётся информация и питание, проходят по дну – и это важно, – говорит Максим Либанов. 

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

– Это такой чёрный шарик. Внутри находится электроника со световыми элементами, но мы же добиваемся полной темноты. Чтобы они не отсвечивали, мастер-модуль «запаковывают» специальным чёрным скотчем, – рассказывает сотрудник ОИЯИ Владимир Шатунов. 

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.
«Поймать рядового Нейтрино»: как из глубин Байкала исследуют тайны Вселенной 
Модуль с фотоумножителем – на переднем плане 

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 учёных всего мира. В идеале же научное сообщество стремиться создать на Земле сеть из разных телескопов, чтобы с точки зрения разных характеристик описать произошедшее космическое событие и представить цельную картину. 

Зимой гирлянды держат лебёдкой, летом – буями. Натяжение, говорит Владимир Шатунов, необходимо, чтоб модули не «расползались» из-за течения, которое есть даже на дне Байкала. Иначе это повлияет на качество сигналов. Система модулей из-за течения подвижна, и чтобы контролировать их положение, тросы оборудуются акустическими датчиками: чем дальше друг от друга модули разных кластеров, тем выше риск упустить событие. 

– Нужно понимать, как модули отслеживают сигналы. Например, если срабатывает только один модуль, то, скорее всего, информация дальше не пойдёт. Если же несколько модулей что-то «поймали», то тогда это уже наверняка какое-то событие и данные о нём отправятся на берег. Такой механизм продуман специально, чтобы минимизировать поток информации, избавиться от фонового шума, – поясняет Владимир Шатунов. 

Идеальное место для охоты за нейтрино 

Глубина не единственное преимущество Байкала. Близость железной дороги и логистических центров, того же Байкальска, куда с места производства доставляют оборудование телескопа, тоже играют огромную роль. Но самое важное – ледовый покров, который значительно сокращает расходы на развёртывание подводной обсерватории. Основные траты коллаборации уходят на оборудование. 

– На Байкале всё это нетривиально сделано. На Южном полюсе бурение майн, протаивание – это достаточно дороге удовольствие. Доставка туда людей и оборудования тоже обходятся недёшево. Средиземное море – это открытая вода, здесь нужен постоянно специальный корабль, который может поддерживать положение тросов, и так далее. На Байкале же во время зимы вы ездите, как по дороге, а чтобы добраться до воды, нужна пила и полчаса времени – и уже есть доступ к датчикам, которые нужно ремонтировать, – говорит Игорь Белолаптиков. 

Оборудование, кстати, ломается редко. Если модули выходит из строя летом, их достают для починки зимой – катастрофы в этом никакой нет. 

– В прошлом году, например, прямо в установку ударила молния и повредила два шара. Но когда нет информации с одного кластера – это не страшно. Важно, что их можно поменять. В Антарктиде ​такого нельзя сделать, например. Они построили телескоп, за 10 лет уже сломалось около 2% оборудования. Это мало, но можно посчитать, когда это всё перестанет функционировать, – говорит Максим Либанов.
«Поймать рядового Нейтрино»: как из глубин Байкала исследуют тайны Вселенной 
 
Ещё один плюс Байкала – пресная вода, добавляет Баир Шайбонов. Это избавляет от радиоактивного фона, которой в избытке в морской воде. Байкальская вода тоже светит, но незначительно. Причина кроется в хемилюминесценции, которая возникает из-за химических реакций распада отмершей на поверхности озера органики. Но это однофотонные импульсы, которые легко отсекаются при постобработке. В Средиземноморье такой номер не пройдёт. 

Чтобы убрать тот же самый «шум», забивающий приём сигнала, для модулей вместо обычного стекла используют боросиликатное с пониженной радиоактивностью, иначе светочувствительный детектор будет «видеть» только фон этого стекла. Стекло при этом достаточно толстое и спокойно может выдерживать давление воды в сто атмосфер. На эту же цель работает и сферическая форма модулей. 

– К нам приезжали коллеги и из IceCube, и из Antares. Они единодушно сошлись во мнении, что Байкал – идеальное место для нейтринной астрофизики, – говорит Игорь Белолаптиков. 

Не просто космос 

Baikal-GVD даёт 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 даёт мультипликативный эффект. Первое, что приходит на ум – это вопросы, связанные с экосистемой Байкала. Физики из первых рук получают информацию о температуре, биоразноорбазии озера. 

– Прикладной аспект, который даёт 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 далёких 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 шагнёт далеко за пределы Байкальского региона, добавляет учёный. В горизонте трёх-пяти лет высокие технологии, которые используются для функционирования Baikal-GVD, окажутся в нашей повседневной жизни: в смартфонах, навигаторах, системе ГЛОНАСС, высокоскоростном транспорте. Это всё 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. 

– Мы ловим вспышки нейтрино от взаимодействия с молекулами байкальской воды. Это не что иное как система распознавания образов. Сейчас это для безопасности – ключевой элемент. Все системы, которыми мы пользуемся сейчас, в быту, их практически все придумали физики, которые занимаются физикой высоких энергий, создавая детекторы для исследований элементарных частиц, – говорит Григорий Трубников. 

Помимо чисто научных эффектов развёртывание телескопа даёт потенциал и для развития самой Иркутской области, ведь наука, как отметил министр науки и высшего образования РФ Валерий Фальков, – один из драйверов прогресса, который, в свою очередь, удерживает в регионе молодёжь. 

– Для того чтобы у молодых людей был стимул развиваться на родине, необходимы такие проекты, какой мы сегодня запускаем в Иркутской области. Молодые люди смогут участвовать в научных исследованиях и инженерно-технологических работах на передовом уровне, делать открытия, учиться, увеличивая тем самым научно-технический потенциал своего региона и всей нашей страны, – сказал он. 

После развёртывания восьмого кластера Baikal-GVD займёт объём, равный 0,4 кубических километров. К 2030 году он достигнет кубического километра, а кластеров планируется увеличить до 22 – и это будет крупнейший глубоководный нейтринный телескоп в мире. 

Алёна Кашпарова, фото и видео собственное. 

Фото: Григорий Трубников, Валерий Фальков и губернатор Иркутской области Игорь Кобзев. Фото пресс-службы Минобрнауки РФ 

Похожие новости

  • 16/02/2021

    Ключевые результаты в сфере науки Алтайского края в 2020 году

    Научный комплекс Алтайского края сегодня представлен 4 научно-исследовательскими институтами, в числе которых 2 учреждения Сибирского отделения Российской академии наук и Федеральный Алтайский научный центр агробиотехнологий.
    475
  • 18/03/2021

    Научные разработки в сфере угледобычи представили губернатору Кузбасса

    ​Губернатор Кузбасса Сергей Цивилев ознакомился с передовыми разработками Федерального исследовательского центра угля и углехимии Сибирского отделения РАН. Глава региона поручил ученым усилить сотрудничество с вузами области.
    309
  • 12/03/2021

    В Новосибирске обсудили актуальные разработки сибирских ученых

     Указом президента РФ 2021 год объявлен Годом науки и технологий. Сибирское отделение РАН может гордиться не только научно-технологическим заделом и фундаментальными исследованиями, но и множеством прикладных разработок в самых разных областях, которые готовы к внедрению.
    334
  • 29/03/2021

    В рамках проекта «Цифровой Байкал» учёные ИСЗФ СО РАН развернут сеть грозопеленгации

    В рамках реализации проекта по формированию фундаментальных основ, методов и технологий цифрового мониторинга и прогнозирования экологической обстановки Байкальской природной территории (проекта «Цифровой Байкал») ученые Института солнечно-земной физики СО РАН установят три грозопеленгатора.
    198
  • 16/02/2021

    Для исследования атмосферы разработали мобильный лидар

    Ученые из Института оптики атмосферы имени В.Е. Зуева СО РАН создают первый в мире мобильный озоновый лидар для исследований влияния индустриальных выбросов на состав воздуха, наблюдения за вулканической активностью, а также изучения атмосферы Арктики.
    322
  • 26/05/2020

    Наука будущего: беспилотник на солнечных батареях, обрывы проволоки и молекулярные ножницы

    Как совмещать открытия в медицине и в космической сфере, чем бактериальная целлюлоза поможет экологии планеты и можно ли излечить от болезни, отредактировав ДНК, — в материале портала "Будущее России.
    1219
  • 11/08/2020

    Байкал оценят «цифрой»: о создании системы мониторинга экологии озера

    ​​Учёные из Сибири получили грант Министерства науки и высшего образования России в размере 300 млн рублей на создание фундаментальной основы и разработку технологий цифрового мониторинга и прогнозирования экологической обстановки на Байкале.
    975
  • 26/11/2020

    Андрей Юрченко: мы разрабатываем систему экомониторинга Норильска

    ​​​​​Большая норильская экспедиция Сибирского отделения Российской академии наук – это не только полевые и лабораторные работы, за деятельностью промышленных предприятий начали внимательно следить со спутников.
    766
  • 09/04/2021

    Инновационный новосибирский тест на COVID-19 по дыханию представили на крупной выставке в Москве

    ​Учёные ведущих вузов России и эксперты экспортного центра оценили устройство новосибирских разработчиков, позволяющее сдать тест на коронавирус по дыханию.  Разработанный учёными Института автоматики и электрометрии СО РАН и компании «Сайнтификкоин» газоанализатор HEALTHMONITOR, позволяющий сдать тест на COVID-19 по дыханию, представили на международной выставке «Фотоника.
    215
  • 03/10/2019

    В Иркутске обсудили возвращение на Байкал глубоководных обитаемых аппаратов

    8 сентября 2019 года состоялся визит в Институт земной коры СО РАН Героя Российской Федерации, известного советского и российского инженера, командира глубоководного обитаемого аппарата «Мир» Евгения Сергеевича Черняева.
    1035