banner
Май 4, 2017
414 Views
Комментарии к записи Большой нейтринный телескоп на Байкале поможет лучше познать Вселенную! отключены

Большой нейтринный телескоп на Байкале поможет лучше познать Вселенную!

Written by
banner

 

Российские ученые в рамках совместных научных Байкальских исследований глубин нашей Вселенной начали развертывание второго кластера нейтринного телескопа Гигатонного детектора Volume (Байкало-ДГС). В России ученые-исследователи космоса всеръез взялись за сбор и анализ объемных данных о фундаментальной природе нашей Вселенной.

Байкал является самым известным глубоководным озером в мире. Но теперь Сибирское озеро Байкал также стало домом для научного эксперимента, который может помочь нам лучше понять фундаментальную природу Вселенной.

Это видно потому, что ученые-астрономы приступили к строительству второго кластера глубоких подводных нейтринных телескопов. Нейтрино считаются вторыми наиболее распространенными частицами во Вселенной — триллионы их потоков постоянно проходят через наши тела. Но вплоть до сегодняшнего дня мало известно об их природе.

нейтринный телескоп

Ученые надеются, что строительство огромного телескопа в слоях ледяной воды озера Байкал поможет отслеживать эти невидимые частицы и выявить больше сведений об их природе. Нейтрино является очень легкой, электрически нейтральной частицей, которая способна пройти огромные расстояния, сохраняя направление своего движения.

Таким образом припомощи нейтринного телескопа можно исследовать самые разнообразные сильные источники энергии во всей нашей Вселенной. Это может происходить не только в нашей галактике, но и также в других — Neutrino может быть уникальным носителем информации о процессах, где проявляется эта совершенно невероятная энергия.

Ученые в ходе своих исследований должны выявлять нужные частицы глубоко под землей или под водой — далеко от помех космического излучения. Телескоп будет эффективно записывать данные о взаимодействии между нейтрино и байкальской водой.
Что дает использование нейтринного телескопа? Зачем прилагать неимоверные усилия для поимки неуловимых частиц, если огромное количество информации на Землю доставляют обычные электромагнитные волны?

Все небесные тела не прозрачны для электромагнитного излучения, и если ученые хотят заглянуть в недра Солнца, Земли, галактического ядра (именно там происходят самые интересные процессы), то помочь в этом могут только нейтрино.

Подавляющее большинство таких частиц попадает к нам из Солнца, где они рождаются во время термоядерного превращения водорода в гелий, поэтому все нейтринные телескопы ХХ веке были ориентированы на изучение нашего светила. Начальный этап исследований солнечных нейтрино завершен, и уже делаются первые шаги по изучению потока и спектра частиц, идущих к нам из недр Земли, где они рождаются при распаде урана, тория и других радиоактивных элементов. Характерная энергия подобных процессов сотни тысяч и миллионы электронвольт на одну частицу.

Еще в 1994 году было зарегистрировано первое в мире подводное нейтрино.

В 1960 г. советский физик-теоретик, академик М. А. Марков внес предложение применять для поимки неуловимых частиц природные водные бассейны. Все вещество родной планеты есть громадный детектор для регистрации нейтрино.

Прилетая к нам из вселенной, отдельные из них взаимодействуют с единичными атомами Земли, передавая им часть собственной энергии, а попутно и драгоценную информацию об процессах, случающихся в разных уголках Вселенной. Необходимо только умудриться ее понимать, и проще всего все это выполнить, наблюдая огромные объемы океанской воды.

В 1970-е гг. американские, советские и японские физики, астрономы, инженеры и океанографы организовывали оценку допустимо подходящих мест на дне океана, изучали методы расположения глубоководной аппаратуры, проверяли разные варианты оптических приемников.

нейтринный телескоп на Байкале

В следствии долголетних проведенных исследований было подобрано наилучшее место район Тихого океана поблизости Гавайских островов, где глубина превосходит 5 километров. Проект имеет имя DUMAND ( Deep Underwater Muon and Neutrino Detector — глубоководный детектор мюонов и нейтрино).

Начало работ по погружению научной аппаратуры на океаническое дно было запроектировано на весну 1981 г. Но оказалось, что не так просто спустить на многокилометровую глубину сотни и сотни оптических устройств, поддержать их в рабочем состоянии и при этом принимать и делать приходящие с них сигналы. К огорчению, по технологическим причинам проект так и не был осуществлен.

Однако в 1990-е гг. ученые все же увидели следы высокоэнергичных неуловимых частиц, оставленных ими под километровой толщей воды. Произошло это событие не посреди Тихого океана, а в Сибири, на юге Иркутской области.

Еще в 1946 г. Бруно Понтекорво предложил первый проект телескопа для регистрации солнечных нейтрино. В то время мало кто верил, что его можно будет осуществить на практике, так как для поимки хотя бы одной частицы масса детектора должна составлять десятки тонн.

В конце 1970-х гг. советский ученый, академик, доктор физико-математических наук А.Е. Чудаков внес предложение применять для детектирования нейтрино озеро Байкал. Такой уникальный естественный бассейн пресной воды, как оказывается, оптимально сгодится для обеспечения такой миссии:

  • Во-первых, из-за его глубин, которые превышают 1 км;
  • во-вторых, из-за прозрачности чистейшей воды, составляющей приблизительно 22 м;
  • в-третьих, из-за того, что на большой глубине в протяжение всего года температура будет оставаться неизменной; 3,4°С;

Строительство телескопа стартовало в 1990 г. а в 1994 г. было зафиксировано первое в мире подводное нейтрино.

Как  проходит регистрация нейтрино?

Во-первых, частица имеет возможность войти в реакцию с веществом, находящимся внутри объема, охваченного гирляндами (правда, возможность такого явления очень невелика).

Во-вторых, она имеет возможность взаимодействовать с ядром какого-нибудь атома, размещенного в радиусе нескольких километров от детектора (в воде или в грунте под конструкцией), и породить высокоэнергичный мюон, какой после пролетит неподалеку гирлянд. При этом эффективный размер детектора увеличивается в десятки раз, но возникает проблема: как различить нейтринные мюоны от природных, появляющихся под воздействием космических лучей?

Когда космические лучи достигают Земли, они взаимодействуют с ядрами атомов, располагающимися в высших слоях атмосферы. При этом появляются ливни так называемых вторичных космических лучей, в основном неустойчивых элементарных частиц. Все они очень быстро распадаются за исключением мюонов, какие наделены высокой проникающей особенностью, живут 1 мкс и за это время поспевают пролететь несколько километров толщи земли, создавая помехи в эксплуатации находящихся под землей лабораторий.

Общая схема глубоководного нейтринного телескопа

За все время работы Байкальского телескопа было зарегистрировано около 400 событий, порожденных высокоэнергичными нейтрино, но почти все они — атмосферные. В связи с этим нужно было выделить из множества событий те, которые принадлежат нейтрино, прилетевшим из дальнего космоса, т. к. именно они представляют наибольший научный интерес.

Полвека назад регистрация атмосферных нейтрино в глубоких индийских шахтах была выдающимся научным достижением, однако в подводном детекторе они представляют фон, мешающий наблюдениям. Атмосферные нейтрино, в обилии порождаемые космическими лучами в верхних слоях атмосферы, несут информацию только о космических лучах, а ученым интересно узнать об источниках нейтрино, расположенных за пределами Солнечной системы.

Основу нейтринного телескопа составляют фотоумножители, помещенные в стеклянные сферы, выдерживающие давление более 100 атмосфер.

Мюон движется почти в том же самом направлении (в пределах одного градуса), что и породившее его высокоэнергичное нейтрино. Определение траектории внутри детектора происходит с ошибкой 2°. В результате телескоп определяет место на небесной сфере, из которого вылетело нейтрино, с общей погрешностью около 3°.

Атмосферные нейтрино прилетают к нам в среднем равномерно со всех сторон, но где-то во Вселенной должны быть локальные источники космических нейтрино. Это могут быть квазары, активные ядра галактик, расширяющиеся с огромной скоростью оболочки сверхновых звезд. Загадочные гамма-всплески также способны быть подобными источниками.

Задача нейтринного телескопа на Байкале

Одна из главных задач Байкальского телескопа — выделить из фона космические источники нейтрино, определить их местоположение на небе и затем постараться отождествить с оптическими объектами, которые можно изучать с помощью обычных телескопов.

Чтобы решить эту задачу, нужно зарегистрировать достаточно большое число нейтрино и определить точки на небесной сфере, откуда они прилетели. В тех областях, где расположены объекты, активно излучающие нейтрино, будет наблюдаться локальное повышение потока этих частиц по сравнению с фоном.

Пока никто не знает, каковы мощность и плотность таких источников. На этот счет существуют только гипотезы и предположения. Тем и интересен Байкальский телескоп, что он может дать экспериментальный ответ на подобные вопросы.

На дистанции нескольких километров от установки (в воде или в грунте непосредственно под землей) нейтрино большой энергии взаимодействует с ядром атома и генерирует мюон, какой спустя время фиксируется детектором.

Откуда-то из удаленных закутков Вселенной нас с вами достигают космические лучи высоких энергий. Следовательно, что они появляются не в совершенно порожнем пространстве: их источники пребывают в какой-то сфере. Взаимодействуя с ее атомами, высокоэнергичные космические лучи вызывают нейтрино сверхвысоких энергий. После частички разлетаются по всему космическому пространству, передвигаясь в том числе и к Земле.

Космические лучи сверхвысоких энергий взаимодействуют с реликтовыми фотонами и не имеют возможность долететь до Земли, сберегши собственную энергию. На такое способны только нейтрино. По этой причине, если к нам прилетают протоны с энергией 10 19 эВ, то нейтрино имеют возможности прилететь с еще большей энергией, но с какой конкретно, пока что неведомо.

Темная сторона Вселенной

Сегодня большинство астрономов уверено, что основная масса Вселенной приходится на так называемую темную материю. Она никак не выдает себя, т. к. не принимает участия ни в каких взаимодействиях, кроме гравитационного.

Поэтому предполагается, что это некие неизвестные науке стабильные слабовзаимодействующие частицы, обладающие достаточно большой массой. В противном случае их давно бы обнаружили на современных ускорителях. Если это так, то подобные частицы должны скапливаться в сильных гравитационных полях вблизи и внутри массивных тел.

Например, их должно быть много внутри Земли, где они могут свободно двигаться сквозь вещество, практически не взаимодействуя с ним. В этом случае иногда может происходить аннигиляция частицы и античастицы. В результате должны рождаться нейтрино и антинейтрино, обладающие высокой энергией.

Задача Байкальского телескопа — зарегистрировать сигнал от таких событий, либо установить верхний предел для плотности темной материи.

Поделитесь с друзьями!
Article Tags:
Article Categories:
Технологии
banner

Comments are closed.