Поиск - новости науки и техники

Ловись, маленькое! Подходящий размер невода под нейтрино – кубический километр.

Путь по Байкалу от Листвянки до Нейтринного телескопа занял примерно час. Не зная маршрута, я все поглядывала на скалы, тянущиеся вдоль озера: когда пойдет дорога вверх? И только перед тем, как машины остановились на льду возле дюжины видавших виды домиков-вагончиков, услышала, что телескоп глубоководный. Из вагончика под яркое мартовское солнце, не надев теплой куртки, шагнул высокий мужчина в рабочем комбинезоне. Швейцарцы, едва выйдя из микроавтобуса, кинулись с ним обниматься, восклицая: “О, Буднев!” Оказалось, это директор Института прикладной физики Иркутского госуниверситета Николай Буднев. Треть века он отдал Байкалу, нынче его 31-я экспедиция на это озеро. Пока иностранцы перетаскивали в домики свои пожитки, мы с ним разговорились. Гости оказались сотрудниками Швейцарского федерального института окружающей среды, приезжающими сюда год за годом.
– Зачем?
– Выясняют, чем Байкал отличается от других крупных замкнутых водоемов типа озера Танганьика, – объясняет Буднев. – В принципе, это известно: из-за кислорода, присутствующего в воде от поверхности до самого дна и даже в донных отложениях. Но почему и как происходит обмен водных масс, как сказываются особенности температурного режима озера не только на гидрофизических, но и на биогеохимических процессах? Вторая задача – изучение палеоклимата, палеобиологии Центральной Сибири по донным отложениям Байкала, а они у нашего озера до 7 км толщиной. Притягивает сюда ученых возможность долговременных исследований многих явлений с помощью аппаратуры, размещенной на буйковых станциях. Так ведутся измерения вертикальной компоненты электрического поля Земли, дающей много информации о происходящем и в озере, и в земной коре, и на Солнце. Комплекс глубоководных буйковых станций – это Центр коллективных исследований в рамках Байкальского нейтринного проекта, начатого еще 30 лет назад. Сотрудничество организовано по принципу работы зарубежных научных коллабораций типа ЦЕРН. Сегодня, например, возле майны (проруби, в которую погружают приборы) одновременно трудятся ученые Института ядерных исследований РАН, Объединенного института ядерных исследований (Дубна), нашего Иркутского госуниверситета, МГУ им. М.В.Ломоносова, Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. Сюда же на лед придут и зарубежные коллеги.
Формально каждый коллектив независим, но все вместе согласованно решают общие задачи, добывают новые знания, например, ищут астрофизические источники нейтрино сверхвысоких энергий. Организатор-руководитель проекта – член-корреспондент РАН Григорий Домогацкий, заведующий лабораторией нейтринной астрофизики высоких энергий Института ядерных исследований РАН.
– Идею установки в прозрачных средах детекторов для поиска астрофизических источников нейтрино сверхвысоких энергий предложил еще в советское время академик Моисей Марков, – просвещает меня Николай Михайлович. – Американцы попробовали осуществить ее вблизи Гавайских островов на глубине 5 км. Не удалось: то шторма оборудование срывали, то разрушались глубоководные соединения кабелей и аппаратуры. Осенью 1979 года в Листвянке на выездном совещании Международного Тихоокеанского конгресса академик А.Чудаков предложил отработать методику поиска астрофизических нейтрино, используя ледовый покров Байкала. Лед здесь – платформа устойчивая. Штормов  нет. Сомневались, правда, удастся ли выделять нейтринные события из фона, создаваемого потоком других частиц, падающих на поверхность Земли? Но, проведя ряд натурных экспериментов и придумав оригинальные методики обработки данных, увидели: есть способ уверенно отделять нейтрино, которые регистрируются в Байкале, от фона. И тогда за 1993-1998 годы создали первый в мире глубоководный Нейтринный телескоп НТ-200. Основным его конструктивным элементом являются буйковые станции.
– Что это такое?
– На дне лежит груз порядка 700 кг, к нему прикреплен трос, на котором размещаются оптические детекторы и электронные модули, затем кабель-трос, а поддерживается эта конструкция в вертикальном положении огромными поплавками – буями, которые находятся на глубине около 20 м от поверхности. Собраны поплавки из полых алюминиевых сфер. Рыбаки такие используют для своих тралов. Кухтель зовется. Каждый стоит полторы тысячи рублей, а их нам нужны горы! Рыбаки как-то платят  – у них есть норма прибыли, а у науки какая прибыль? Почему на глубине 20 метров ставим буи? Выше летом волна треплет, катера да браконьерские сети цепляются и опутывают наше электронное оборудование, важная часть которого находится прямо под буями в стеклянных сферах. Но основная аппаратура Нейтринного телескопа помещена в таких же стеклянных сферах на глубине больше километра! Часть сфер набита электроникой, часть – чувствительнейшими детекторами света (фотоэлектронными умножителями), которые с точностью в 2-3 наносекунды умеют регистрировать моменты времени, когда отдельные кванты от частиц попадают на детекторы. Для синхронизации всех детекторов используем лазеры, которые тоже глубоко под водой. Сигналы от всех детекторов стекаются в гроздь контейнеров с электроникой, ну а дальше от этих шаров к поверхности идет кабель, данные со всех буйковых станций собираются в одной точке, и по кабелю, проложенному на глубине 1360 метров, информация уходит на берег. В каждой из сфер свой микрокомпьютер, в режиме удаленного доступа в него можно войти из Иркутска, Берлина, Москвы, изменить параметры эксперимента.
– И ради чего вся эта сложность?
– Одна из целей исследования – поиск новых видов элементарных частиц, в том числе темной материи. Все существующие формы адронной материи – 4 процента от того, что есть в нашей Вселенной. Мы были первые, у кого такая глубоководная установка получилась. А теперь… Два года как французы соорудили установку ANTARES в Средиземном море. Они привозили заранее собранные конструкции на военно-морских кораблях, с помощью роботов часть коммуникаций монтировали под водой. Получилось все непомерно дорого и небезупречно: работать сильно мешают течение, соленость воды, обрастание и осадки, много проблем доставляет биолюминесценция, которая в Байкале отсутствует, как и практически все перечисленные сложности. Американцы же пошли другим путем: создали установку в антарктических льдах на относительно небольшой глубине, учли наш опыт. Обошлась она им в три-четыре сотни миллионов долларов.
– Ну а результат?
– Американцы закончили монтаж в декабре. Принципиально новые результаты еще не опубликованы, обработка данных здесь занимает большое время. Если говорить о результате для Нобелевки на нашем телескопе, то пока его нет. Установки работают в многозадачном режиме. Кроме поиска темной материи ловим нейтрино. Это, как говорит название, электрически нейтральная частица, непосредственно ее зарегистрировать никаким известным способом нельзя. Но в результате взаимодействия нейтрино с водой, пусть с маленькой вероятностью, пусть редко, происходит рождение заряженных частиц, которые движутся и светятся. Это излучение называется “черенковским”, ибо открыто нашим соотечественником Павлом Черенковым. Мы это излучение регистрируем, если частица пришла сквозь Землю, через Южное полушарие. То есть в большей степени изучаем центр нашей Галактики. А зарубежные коллеги в Антарктиде смотрят в другом направлении. Глубоководные технологии не менее сложные, чем используемые в космосе. Байкальский нейтринный телескоп – это уже несколько сотен приборов, каждый из которых имеет “интеллект”, взаимодействует с другими, причем годами, глубоко под водой, под высоким давлением, без обслуживания человеком.
– Ну, где же без обслуживания? Вон рабочие у лебедки вытаскивают сферы из майны.
– Ну, во-первых, это не рабочие, а ученые. В Америке такими монтажными операциями занимаются специальные инженерные фирмы. У нас ни фирм, ни денег, чтобы их нанять, нет. А во-вторых, поднимаем раз в несколько лет только часть оборудования для ремонта, замены, смены конфигурации… Сейчас совсем другие, чем в дни начала работы телескопа, возможности по системам передачи данных, управлению, питанию, программному обеспечению. Надо все совершенствовать и, главное, наращивать размеры установки. Для регистрации нейтрино от самых интересных астрофизических объектов может оказаться мало установки и в кубический километр.
– Так, может, собрать и разбросать 100 таких станций по Байкалу?
– Так то, что вы видите, – это и есть начало нового Нейтринного телескопа НТ1000 объемом в кубический километр! Эту идею уже давно вынашивают физики, и мы потихоньку начинаем создание телескопа нового масштаба, но решить такую задачу можно, только получив финансирование с помощью отдельного постановления Правительства РФ, как минимум 3 миллиарда рублей надо.
– Ну, а не будет постановления?
 – Все равно будем продолжать работу. Есть еще идея акустического метода регистрации нейтрино. Взаимодействие его с водой должно рождать звук – так же, как молния сопровождается громом. Этот акустический сигнал, слабо затухая, может проходить километры. Основная проблема – отфильтровать шумы. Такое впечатление, что Байкал – единственное место, где можно это осуществить. Этим мы сейчас занимаемся в Иркутском госуниверситете. Мы разместили акустические антенны на глубине 100 метров и слушаем сигналы, идущие только снизу.
– Если будущее за акустикой, то зачем оптические регистраторы объемом в кубический километр?
– Акустический сигнал достаточной для регистрации амплитуды будет возникать только при взаимодействии нейтрино с энергией 10 в 18 степени электрон-вольт. Источники таких нейтрино предсказываются, а оптические установки, которые уже работают и создаются, нацелены на нейтрино меньшей энергии.
– То есть для каждого нейтрино свой “сачок”?
– Можно и так сказать. Но я бы сформулировал иначе: Байкал – научная лаборатория, данная нам природой. Нужно бережно, но на все 100 процентов задействовать ее возможности, максимально привлекая своих и зарубежных коллег. Прежде всего молодежь. Вот из Иркутского госуниверситета, например, в проекте участвуют порядка 30 человек, средний возраст – 32 года. Не считая студентов. И какая молодежь! Чем интереснее дело, тем ярче вокруг него люди.     

           
Елизавета ПОНАРИНА

Нет комментариев