Jis veikia kartu su "IceCube" – didelio masto jutikliu, sumontuotu Antarkties ledo sluoksnyje. Kartu jie sudaro naujo tipo astronominį teleskopą, skirtą tyrinėti neįtikėtiniausius Visatos objektus – aktyvius galaktikos branduolius, kvazarus, blazarus. Projekto vadovas, Rusijos mokslų akademijos Branduolinių tyrimų instituto didelės energijos neutrino astrofizikos laboratorijos vadovas, Rusijos mokslų akademijos narys korespondentas Grigorijus Domogackis RIA Novosti pasakojo apie tai, kaip buvo sukurtas unikalus instrumentas ir kaip jis veikia. Jį kalbino Tatjana Pičugina.
Kaip gimė detektoriaus Baikalo ežere idėja
Neutrinų fizika pradėjau užsiimti atsitiktinai. Buvo 1964 metų žiema, baigiau Maskvos valstybinio universiteto fizikos skyrių. TSRS mokslų akademija ką tik buvo nusprendusi Lebedevo fiziniame institute sukurti Baksano neutrinų observatoriją ir neutrinų laboratoriją. Buvo pasirengę mus, studentus, ten priimti, sakė — užsiimsime neutrinų fizika. Mes šiek tiek apie tai perskaitėme, paklausinėjome, aš, žinoma, jau kažką žinojau apie neutrinus ir sutikau.
Dirbau vadovaujant fizikui Moisejui Aleksandrovičiui Markovui. Mokslų akademijos dėl neutrinų tarybos pirmininkas buvo Brunas Pontekorvas (Bruno Pontecorvo), kuris numatė šios elementarios dalelės svyravimus. 80-ųjų pradžioje jis pasiūlė man tapti tarybos mokslo sekretoriumi, o išvykęs į tėvynę, Italiją, rekomendavo mane į savo vietą.
1960 metais Markovas pirmasis suformulavo idėją naudoti didelius vandens telkinius neutrinams registruoti — vandenynus, požeminius ežerus. 70-ųjų viduryje amerikiečių fizikai Frederikas Reinesas (Frederick Reines) (būsimasis Nobelio premijos laureatas, pirmą kartą užregistravęs neutrinus iš reaktoriaus) ir Džonas Lernedas (John Learned) bandė tai įgyvendinti. Jie pakvietė Sovietų Sąjungos mokslininkų grupę, kuriai vadovavo Markovas, ir pradėjo diskutuoti apie neutrinų detektoriaus statybą vandenyne. Tačiau įvedus sovietų karius į Afganistaną, JAV vyriausybė atsisakė finansuoti šiuos bendrus darbus.
1980 metų spalio 1 dieną instituto Akademinėje taryboje Markovas sakė, jog šį projektą reikia tęsti, kad jo plėtra mūsų šalyje neturėtų būti sustabdyta. Tada Aleksandras Jevgenjevičius Čiudakovas, puikus rusų eksperimentatorius, vienas iš tų, kurie antrojoje sovietinėje raketoje atrado Žemės radiacinius žiedus, pasiūlė padaryti detektorių Baikale. Šiam projektui sukūrė laboratoriją, buvau išrinktas vadovu. Nuo to laiko tai tęsėsi.
Neklausykite, kai sako, kad kažko nepavyko padaryti dėl pinigų trūkumo. Rasti pinigų —lengviausias dalykas. Žinoma, tam reikia skirti šiek tiek laiko, tačiau viskas priklauso nuo to, kokios kokybės užduotis. O mūsų tokia akivaizdžiai gera — giliavandenių neutrinų detektorius — kad visi mielai padėjo bet kokiomis sąlygomis.
Mus finansavo Valstybinis planavimo komitetas, TSRS Valstybinis mokslo ir technologijų komitetas ir Mokslų akademija. 1987 metais TSKP Centrinis komitetas ir Ministrų taryba priėmė Michailo Gorbačiovo ir Nikolajaus Ryžkovo pasirašytą rezoliuciją dėl didelės energijos fizikos tyrimų materialinės ir techninės bazės stiprinimo. Tais laikais labai gerus pinigus skyrė greitintuvams — Novosibirske, Protvine, INR Troicke. Palaikė ir mūsų "Baikalą".
Trejus metus gyvenome ramiai, pirkome viską, ko reikėjo. Tada Sovietų Sąjunga pradėjo griūti, kilo sunkumų, bet mes ir tada išsisukome. Su mumis dirbo fizikų grupė iš DESY instituto, didžiausio Vokietijos dalelių fizikos centro, vokiško CERN atitikmens. Matydami mūsų keblią padėtį, jie padėjo, ir dėl to mes saugiai išgyvenome 1990 metus. Palaikė ir tų metų mokslo ir technologijų ministras Borisas Saltykovas.
Подготовка к погружению глубоководного нейтринного телескопа Baikal-GVD на озере Байкал
© Sputnik / Кирилл Шипицин
/ Reikalingas milžiniškas vandens kiekis
Reikėjo užregistruoti astrofizinius neutrinus, kad rastume jų šaltinius kosmose. Pirmasis detektorius buvo sukurtas vadovaujant Čiudakovui Baksane, Šiaurės Kaukaze, giliai kalne. Tai didžiulis požeminis scintiliacinis teleskopas, beveik 3,2 tūkst. fotodaugintuvų, didžiausias tuo metu pasaulyje. Tai buvo labai gerai, tačiau fiksavo mažos energijos neutrinus, kurie gimsta Žemės atmosferoje, praeinant kosminiams spinduliams. Jų fone nebuvo įmanoma pamatyti kondensato ar vietinių šaltinių. Tapo aišku, kad būtina pereiti į aukštesnės energijos sritį ir todėl pagaminti iš esmės didesnio dydžio detektorius.
Baikalo ežere pastatėme pirmąjį giliavandenį detektorių — NT-200. Užregistravome didelės energijos neutrinus vandenyje, mūsų prioritetas pripažintas visame pasaulyje. Kiek vėliau amerikiečiai patvirtino šį rezultatą su AMANDA ledo detektoriumi Antarktidoje.
Po dešimties metų suprato, kad net šie instrumentai, gerokai didesni už Baksansko, vis tiek yra per maži: reikia padidinti apimtį bent iki vieno kubinio kilometro. Taip Antarktidoje atsirado "IceCube" projektas, amerikiečiai nuo 2005 iki 2011 metų tam išleido apie 300 mln. Jie sąmoningai neskubėjo, nes skubėjimas lemia klaidas. Tai yra etaloninis detektorius, penki tūkstančiai fotodaugintuvų.
Naują detektorių prie Baikalo ežero pradėjome statyti 2015 metais, kai į darbą aktyviai įsitraukė galingas tyrimų centras — Jungtinis branduolinių tyrimų institutas Dubnoje. Dabar turime aštuonis klasterius — 2 304 fotodaugintuvai, efektyvi apimtis — 0,4 kub. km. Pernai sukūrėme vieną klasterį ir daug dėmesio skyrėme gedimų šalinimui. Jei viskas vyks pagal planą, žiemą įdiegsime po du 288 optinių modulių klasterius. Tokį tempą išlaikysime ir ateityje. Iki 2024 metų jį padidinsime iki 0,7, o vėliau — iki 1,5 kubinių kilometrų.
Abu detektoriai vienas kitą papildo. Yra kryčpių, kurių nemato "IceCube", tačiau "Baikal-GVD" mato. Kartu jie mato visą dangaus sferą.
Europiečiai Viduržemio jūroje prie Prancūzijos ir Sicilijos krantų taip pat gamina giliavandenių neutrinų detektorių — KM3NeT. Šiandien yra 12 girliandų po 18 optinių modulių kiekvienam. Šis reikalas užtrunka. "KM3NeT" taps astrofizinių neutrinų registravimo detektorių tinklo dalimi.
Подготовка к запуску глубоководного нейтринного телескопа Baikal-GVD на озере Байкал
© Sputnik / Кирилл Шипицин
/ Ką mato Baikalo teleskopas
Visa neutrinų astronomija yra pagrįsta Markovo 1959 metais pasiūlyta idėja: dėl įkrautų dalelių Čerenkovo šviesos registravimo. Neutrinas niekaip nepasireiškia, kol ima sąveikauti su kažkuo ir pagimdo įkrautą dalelę: miuoną, elektroną, tau-mezoną, įkrautų dalelių — elektronų, pozitronų, protonų — kaskadą. Kai jie juda didesniu greičiu nei šviesos greitis vandenyje, atsiranda daugiau bangų ir žydras švytėjimas — Vavilovo-Čerenkovo efektas, kurį galima užregistruoti.
Detektoriai fiksuoja Čerenkovo spinduliuotę iš visų pusių skrendančių neutrinų. Tačiau miuonai ateina iš viršaus, susidarę iširus pi-mezonams, kurie gimsta sąveikaujant kosminiams spinduliams su Žemės atmosfera. Labai sunku atskirti mums reikalingus neutrinus nuo šio fono. Štai kodėl mes einame giliai po vandeniu, ledu, po žeme — kad iš viršaus krentančios dalelės netrukdytų.
Vanduo ir ledas iš esmės yra skirtingos terpės. Skaidrumą lemia du parametrai: sklaidos ilgis, tai yra, kiek dalelė turi keliauti, kad išsibarstytų, ir absorbcijos ilgis — kiek laiko reikia, kad šviesa susigertų. Šių verčių santykis vandenyje ir lede labai skiriasi.
Antarktidos ledas, išsiskiriantis savo skaidrumu, labai stipriai išsklaido šviesą. Kol jį surinksi, prarasi informaciją apie šaltinio savybes. Baikalo vanduo yra mažiau skaidrus, tačiau jis labai mažai veikia dispersiją. Todėl "IceCube" ir "Baikal-GVD" mato skirtingus dalykus.
Спуск глубоководного нейтринного телескопа Baikal-GVD на Байкале
© Sputnik / Кирилл Шипицин
/ "IceCube" labiau pastebimi ilgi miuonų trekai, tačiau jų yra nedaug. Neutrinų spektre dominuoja kaskadinės liūtys, tačiau informacija apie juos prarandama dėl išsisklaidymo lede. Mes juos gerai matome ir, be to, atskiriame per labai didelius atstumus, net ir už detektoriaus instrumentinių ribų, išoriniame vandenyje.
Abu detektoriai pritaikyti įvykiams, kurių energija yra 60 teraelektronvoltų ir daugiau – šiame spektre yra daugiau neutrinų iš tolimų šaltinių nei atmosferos. Mums pasisekė, kad gamta sukurta taip. Tai buvo atrasta "IceCube", žymint neutrinų astronomijos pradžią. Mes bandome dangaus sferoje lokalizuoti objektus, iš kurių sklinda šios dalelės. Tiesą sakant, mes gauname gyvą liudytoją iš labai tolimų Visatos regionų, iš blazarų, kvazarų, iš įvairių neįtikėtinų galingos energijos generatorių.
"IceCube" buvo užregistruota apie šimtą įvykių, pas mus keliolika. To nepakanka patikimoms išvadoms padaryti. Kol kas tik spėlionės. Pavyzdžiui, yra geras Kovalevų ir Sergejaus Troickio tėvo ir sūnaus Aleksandro Plavino darbas, parodantis, kad radijo blazarai savo didžiausią spinduliuotę skleidžia per didelės energijos neutrinus. Galbūt taip ir yra, bet turime rinkti statistiką.
Mūsų grupė kiekvieną žiemą praleidžia prie Baikalo ežero nuo 1981 metų. Pastaraisiais metais nustojau keliauti – vaikinai viską gali padaryti geriau nei aš. Aš lieku ekspedicijos vadovu, vadovauju iš tolo. Neseniai suskaičiavau, kad prie Baikalo ežero praleidau beveik trejus metus.
Подготовка к запуску глубоководного нейтринного телескопа Baikal-GVD на озере Байкал
© Sputnik / Кирилл Шипицин
/