Установка KM3NeT в Средиземном море глазами художника. Китайские учёные надеются в ближайшие несколько лет построить более крупный подводный «нейтринный телескоп».
Как астрономы ищут нейтрино? Эти маленькие безмассовые частицы проносятся через Вселенную со скоростью, очень близкой к скорости света. Их изучают с 1950-х годов, и над их обнаружением работает целый ряд очень интересных обсерваторий.
Ниже дано изображение детектора IceCube в Антарктиде, использующего кубический километр льда на Южном полюсе в качестве коллектора. Другой нейтринный детектор под названием KM3Net разрабатывается для установки глубоко под поверхностью Средиземного моря.
Один из самых высокоэнергетических нейтринных детекторов, IceCube на Южном полюсе.
Консорциум китайских учёных планирует разработать ещё один глубоководный нейтринный «телескоп», который будет более масштабным, чем все существующие на сегодняшний день технологии.
По словам ведущего исследователя Чэнь Минцзюня из Китайской академии наук, эта установка станет крупнейшей действующей нейтринной обсерваторией. «Это будет детектор размером 30 кубических километров, состоящий из более чем 55 000 оптических модулей, подвешенных на 2300 струнах», — сказал Чэнь.
Нейтрино во Вселенной порождают различные источники. Астрономы знают, что их производят энергетические события, например взрыв сверхмассивной звезды. Часто внезапное поступление большого количества нейтрино предупреждает астрономов о том, что взорвалась сверхновая звезда. Они достигают Земли прежде, чем свет от катастрофического события успевает дойти до нас.
Нейтрино (наряду с космическими лучами) также исходят от Солнца, от звёздных взрывов, от объектов, называемых блазарами. Были даже нейтрино, порождённые Большим взрывом. На Земле они появляются во время распада радиоактивных материалов, расположенных под поверхностью, а также от ядерных реакторов и ускорителей частиц.
Галактики с активными ядрами, в центре которых находятся чёрные дыры – блазары — наиболее распространённые источники, наблюдаемые космическим гамма-телескопом НАСА «Ферми». Они испускают нейтрино и космические лучи.
Обнаружить и измерить эти быстро движущиеся, почти безмассовые частицы — задача не из лёгких. Они почти не взаимодействуют с обычной материей, что затрудняет их обнаружение. В зависимости от места своего происхождения нейтрино могут пролететь много световых лет, прежде чем столкнуться с межзвёздным газом и пылью, планетой или звездой. И проходят они эти объекты насквозь почти беспрепятственно. Однако они всё-таки иногда кратковременно взаимодействуют с веществом. Это взаимодействие приводит к определённым реакциям и частицам, которые уже можно обнаружить.
Супер-Камиоканде, детектор нейтрино в Японии, содержащий 50 000 тонн сверхчистой воды, окружённой световыми трубками.
В связи с этим детекторы нейтрино должны иметь большую «зону сбора», чтобы собирать достаточно информации. Первые нейтринные обсерватории были построены под землёй. Это изолировало детекторы от местного радиационного «загрязнения». Для обнаружения нейтрино требуется чрезвычайно чувствительное оборудование, и даже лучшие детекторы на Земле улавливают лишь относительно небольшое количество частиц.
Некоторые нейтринные обсерватории используют тетрахлорэтилен для фиксирования признаков прохождения нейтрино. Это жидкий хлорорганический растворитель, который в числе прочего используется в химчистке. Когда нейтрино попадает на атом хлора-37 в резервуаре, он преобразуется в атом аргона-37. Именно это и фиксируют приборы.
Другой способ измерения нейтрино — это так называемый черенковский детектор. Это название относится к черенковскому излучению, которое возникает всякий раз, когда заряженные частицы, такие как электроны или мюоны, движутся через воду, тяжёлую воду или лёд. Заряженная частица генерирует это излучение при движении через жидкость детектора. Именно этот метод используют IceCube, KM4Net, Байкальский подводный нейтринный телескоп и другие. Китайский подводный детектор усовершенствует этот метод и будет охотиться за нейтрино в гораздо больших масштабах.
Цель создания такого масштабного телескопа — обнаружение высокоэнергетических нейтрино, но Чен считает, что нейтрино могут быть связаны с космическими лучами. Он ожидает, что нейтрино, обнаруженные установкой, будут способствовать решению столетней научной загадки происхождения космических лучей.
По словам Чена, одна из популярных гипотез заключается в том, что высокоэнергетические нейтрино и гамма-лучи возникают одновременно при возникновении высокоэнергетических космических лучей. «Если мы сможем обнаружить эти две частицы вместе, мы сможем определить источник космических лучей», — сказал Чен. Команда хочет увидеть, производят ли столкновения нейтрино в их детекторе вторичные частицы. Они должны будут излучать световые сигналы, которые смогут увидеть подводные детекторы. Некоторые исследования уже намекают на такую возможность, и Чен считает, что обнаружение нейтрино может найти источник этого загадочного космического излучения.
Большинство членов команды потратили годы на изучение космических лучей, в частности, в рамках проекта LHAASO. Теперь они готовятся сделать то же самое с нейтрино на совершенно новом объекте. Несомненно, поиск внеземных нейтрино на большой глубине будет сопряжён с новыми трудностями. Подводное оборудование и операции очень дорогостоящие. Кроме того, команда должна разработать детектор, который может быть полностью водонепроницаемым. Тем не менее, работа ведётся, и команда только что завершила первые морские испытания для проверки системы обнаружения на глубине 1 800 метров.
