Огромная сеть на глубине километра
Примерно в 3,6 километра от берега, в глубине Байкала, работает Baikal-GVD. Сейчас его называют крупнейшим нейтринным телескопом Северного полушария и вторым по размеру в мире — после IceCube. Нейтринный телескоп выглядит совсем не так, как привычный: никакой трубы, зеркала или купола. Представить Baikal-GVD проще всего не как один огромный аппарат, а как гигантский объем воды, пронизанный сетью светочувствительных датчиков. Вместе они занимают объем около 0,8 кубического километра и ждут редчайших вспышек света, по которым ученые восстанавливают направление и энергию прилетевших нейтрино. Телескоп состоит из кластеров. В каждом — восемь вертикальных тросов, или гирлянд. На одной гирлянде размещено по 36 стеклянных шаров — оптических модулей. Внутри каждого шара находится крайне чувствительный фотодетектор. Его задача — заметить даже очень слабую голубоватую вспышку света. Гирлянды не стоят вертикально на металлических опорах. Внизу их удерживают якоря, сверху натягивают буйки. Течения немного двигают тросы, поэтому ученым приходится постоянно вычислять точное положение каждого датчика с помощью акустической системы. Чтобы понять, откуда прилетела частица, компьютер должен знать не только, какой модуль увидел свет, но и где именно он находился и в какую долю секунды сработал. Сигналы со всех датчиков уходят по кабелям на берег, а затем — на серверы Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Там из огромного количества фоновых вспышек программы пытаются выделить несколько действительно интересных событий в масштабах Вселенной. Baikal-GVD при этом продолжает расти. Телескоп устроен модульно: часть установки уже собирает данные, пока рядом строят новую. Сейчас подводная система насчитывает почти 4900 оптических модулей, а его эффективный объем — около 0,8 кубического километра. К 2028 году его планируют увеличить примерно до кубического километра — это миллиард тонн воды, или одна гигатонна. Отсюда и название GVD — Gigaton Volume Detector.
Байкал против Антарктиды
Принцип работы у Baikal-GVD и IceCube общий: оба телескопа используют огромное количество прозрачного природного вещества как мишень для нейтрино и одновременно как среду, по которой распространяется свет от рожденных ими частиц. Но на Южном полюсе 5160 оптических датчиков вморожены в антарктический лед. Если один из них выйдет из строя, достать его уже невозможно. Зато лед почти неподвижен, и положение датчиков не меняется. А вот наш телескоп устроен модульно. Каждую зиму к нему можно добавлять новые элементы, поднимать, менять или ремонтировать часть оборудования. Фактически Baikal-GVD одновременно работает и строится: один кластер уже собирает научные данные, пока рядом готовят следующий. Именно эта конструкция позволила получать результаты задолго до завершения всей установки. Зимой озеро становится огромной строительной площадкой. Ученые выезжают на лед, размечают точки, прорубают майны и через них опускают на километровую глубину сотни метров кабелей и гирлянд с детекторами. Весной лед исчезает, а новая часть телескопа остается под водой. Есть различия и в том, как ведет себя свет. В антарктическом льду он сильнее рассеивается. В прозрачной байкальской воде фотоны лучше сохраняют информацию о первоначальном направлении. Это помогает восстанавливать траектории частиц. Зато в воде свет быстрее поглощается — у каждой среды есть свои преимущества. Кроме того, телескопы находятся в разных полушариях и смотрят на разные участки неба. Поэтому Baikal-GVD и IceCube не столько конкурируют, сколько дополняют друг друга. Вместе с европейским телескопом KM3NeT в Средиземном море они дают возможность наблюдать высокоэнергетическое нейтринное небо из разных точек планеты.
Почему выбрали именно Байкал
Идея погружать нейтринные детекторы в естественные водоемы появилась еще в 1960 году. Советский физик Моисей Марков предложил не строить искусственный резервуар размером с город, а использовать то, что уже создала природа. Байкал оказался почти идеальным местом. Во-первых, он очень глубокий. Уже в нескольких километрах от берега можно разместить оборудование под километром воды и глубже. Такой слой защищает телескоп от значительной части посторонних частиц, прилетающих сверху. Во-вторых, вода на глубине достаточно прозрачна. Это критически важно — датчики должны видеть слабый свет на расстоянии в десятки метров. И наконец — лед. Зимой он выдерживает людей, технику и тяжелые лебедки. Фактически ученые получают временную платформу прямо над телескопом. Для океанской установки пришлось бы работать с кораблей, а на Байкале оборудование можно опускать точно туда, где оно должно находиться. Именно сочетание глубины, прозрачной воды и прочного зимнего льда еще несколько десятилетий назад сделало Байкал естественной лабораторией для нейтринной физики.
От советского эксперимента до современного телескопа
История проекта началась задолго до Baikal-GVD. В 1980 году в Институте ядерных исследований АН СССР появилась лаборатория нейтринной астрофизики высоких энергий под руководством Григория Домогацкого. Ученые начали испытывать подводные детекторы и выяснять, может ли сложная электроника вообще годами работать на километровой глубине. В 1990-х на Байкале появился НТ-200 — первый большой предшественник нынешней установки. Телескоп состоял из восьми гирлянд и 192 фотодетекторов. Уже в 1994 году исследователям с их помощью удалось зафиксировать события от нейтрино. К 1998 году НТ-200 был полностью развернут. По сегодняшним меркам он был небольшим. Но главное он доказал: глубокую воду Байкала действительно можно использовать как рабочий нейтринный телескоп. Тем временем на Южном полюсе американские и европейские ученые развивали похожую технологию во льду. Сначала появился детектор AMANDA, а затем гигантский IceCube. В 2013 году IceCube сообщил об обнаружении потока высокоэнергетических нейтрино из дальнего космоса. Стало ясно: новая астрономия действительно работает. На Байкале к этому моменту уже проектировали установку следующего поколения. В 2015 году появился первый демонстрационный кластер Baikal-GVD, затем новые стали добавляться почти каждый год. 13 марта 2021 года прошла официальная церемония открытия, но к этому моменту телескоп уже несколько лет собирал научные данные. Его строительство продолжается и сейчас.
Что такое нейтрино и почему его так трудно поймать
Теперь — к тому, ради чего вся эта многолетняя стройка вообще существует. Нейтрино — элементарная частица без электрического заряда и с очень маленькой, почти не существующей массой. Главная ее особенность — она крайне слабо взаимодействует с веществом. Проблема очевидна: поймать частицу, которая почти всегда пролетает сквозь вещество, чрезвычайно трудно. Через нас каждую секунду проходят триллионы нейтрино, в основном рожденных внутри Солнца. Почти все пролетают дальше, словно нас вообще не существует. Мы для нейтрино состоим преимущественно из пустоты. То же самое происходит с Землей. Для многих нейтрино наша планета — не непробиваемый шар, а скорее почти прозрачное препятствие. Из-за этого нейтрино чрезвычайно трудно зарегистрировать. Но именно поэтому оно так ценно для астрономов. Свет из далекого космоса может поглотить газ или пыль. Заряженные частицы космических лучей отклоняют магнитные поля. Поэтому, прилетев на Землю, они уже не обязательно указывают на место своего рождения. Нейтрино не имеет заряда. Оно может вылететь из плотной области возле черной дыры или другого мощного космического объекта и лететь практически по прямой. То есть его направление может показать: вот здесь в космосе происходит что-то очень энергичное. Нейтрино возникают в Солнце, в ядерных реакторах, при столкновении космических лучей с атмосферой. Но Baikal-GVD особенно интересуют частицы с огромными энергиями — десятки и сотни тераэлектронвольт и выше. Такие нейтрино могут рождаться возле активных ядер галактик, остатков сверхновых и других мощнейших природных ускорителей.
Как поймать невидимую частицу
Baikal-GVD не видит само нейтрино. Телескоп ждет, когда одно из бесчисленных нейтрино случайно столкнется с частицей вещества в воде или рядом с детектором. Это происходит крайне редко. Но при таком столкновении могут возникнуть заряженные частицы, например мюон. И вот их уже можно увидеть. Частица летит через воду почти со скоростью света. Причем быстрее, чем сам свет распространяется в воде. Законы физики это не нарушает: быстрее света в вакууме двигаться нельзя, а в воде свет замедляется. Возникает эффект, напоминающий ударную волну от сверхзвукового самолета. Только вместо звука появляется голубоватое так называемое черенковское излучение. Фотоны разлетаются по воде. Один оптический модуль замечает свет чуть раньше, другой — на несколько наносекунд позже. Где-то вспышка ярче, где-то слабее. Компьютер собирает все срабатывания и восстанавливает картину события. Иногда получается длинный световой след — трек. Обычно его оставляет мюон. По такому следу можно довольно точно определить направление, откуда пришло исходное нейтрино. Иногда возникает почти точечная вспышка — каскад, когда энергия быстро распределяется между множеством вторичных частиц. По нему направление определить сложнее, зато хорошо оценивается энергия. Но есть огромная проблема — фон. На Землю постоянно падают космические лучи. Они сталкиваются с атмосферой и порождают множество мюонов, которые могут проникать глубоко под воду. Таких событий несравнимо больше, чем нужных ученым — от космических нейтрино. Поэтому один из самых красивых приемов нейтринной астрономии — смотреть не только вверх, но и вниз, сквозь Землю. Обычный мюон через всю планету не пройдет. А нейтрино может. Если прибор видит частицу, которая движется снизу вверх, значит, исходное нейтрино могло прилететь на противоположную сторону Земли, пройти через тысячи километров породы и провзаимодействовать уже рядом с Байкалом. Получается, сама Земля работает как гигантский фильтр. Правда, для самых высокоэнергетических нейтрино и она постепенно становится непрозрачной. Чем больше энергия, тем выше вероятность столкновения нейтрино с веществом. Поэтому реальные методы отбора событий сложнее, чем простое правило «ищем все, что летит снизу».
Что Baikal-GVD уже нашел
Самый важный результат — Baikal-GVD независимо подтвердил существование астрофизического потока высокоэнергетических нейтрино. То есть среди частиц, которые регистрирует установка, действительно есть нейтрино не земного и не солнечного происхождения, а прилетевшие из далекого космоса. Первым такой поток увидел IceCube. Байкальская установка затем получила независимый результат другим телескопом, в другом полушарии и в другой среде — не во льду, а в воде. К 2024 году накопленных Baikal-GVD данных оказалось достаточно, чтобы статистическая значимость астрофизического сигнала превысила уровень, который в физике принято считать надежным открытием. Еще интереснее история с нашей Галактикой. Ученые изучили восемь событий Baikal-GVD с энергией выше 200 тераэлектронвольт (ТэВ). Оказалось, что направления их прихода заметно тяготеют к плоскости Млечного Пути. Затем исследователи посмотрели независимые данные IceCube — и увидели похожую картину. Совместный анализ усилил результат. Это не означает, что ученые уже знают восемь конкретных звезд или черных дыр, которые породили эти нейтрино. Но появляется серьезное указание на то, что сама наша Галактика производит заметное количество нейтрино огромных энергий. Возможно, даже больше, чем предполагали некоторые модели. А значит, где-то в Млечном Пути должны работать мощные природные ускорители частиц. Кто именно ими является — остатки сверхновых, пульсары, области звездообразования или что-то еще — один из главных вопросов, на которые предстоит ответить. Есть и отдельные интригующие события. В апреле 2021 года Baikal-GVD зарегистрировал каскад с энергией около 224 ТэВ. Его направление оказалось близко к блазару TXS 0506+056 — активной галактике со сверхмассивной черной дырой в центре, которую ранее уже связывал с нейтрино IceCube. Но пока это именно кандидат на связь, а не доказанный источник. Одного совпадения направления недостаточно. И в нейтринной астрономии это вообще главное ограничение: событий пока очень мало.
Зачем нам вообще эти частицы
Астрономия почти всю свою историю была астрономией света. Сначала человек смотрел глазами. Потом появились радиотелескопы, рентгеновские и гамма-обсерватории. В конце XX — начале XXI века к фотонам добавились новые носители информации: космические лучи, гравитационные волны и нейтрино. Это похоже на расследование, в котором вместо одного свидетеля появляются сразу несколько. Допустим, возле черной дыры что-то разгоняет частицы до колоссальных энергий. Мы можем увидеть от этого объекта гамма-излучение. Радиотелескоп зарегистрирует струю вещества. Детектор гравитационных волн зарегистрирует, что произошло подходящее катастрофическое событие. А нейтрино может прилететь прямо из области, которую свету покинуть трудно. Если ученые научатся уверенно связывать нейтрино с конкретными объектами, мы наконец сможем выяснить, где во Вселенной рождаются частицы самых высоких энергий. Baikal-GVD также помогает исследовать собственную Галактику. Чем больше событий удастся собрать, тем точнее станет карта Млечного Пути: где находятся источники, как космические лучи распространяются по Галактике и какие процессы способны разгонять их до таких энергий. Есть и более фундаментальные задачи — от изучения свойств самих нейтрино до поиска возможных следов темной материи и другой физики за пределами привычных моделей. Но для этого телескопу прежде всего нужна статистика. Нейтрино остается крайне неуловимой частицей. Даже установка размером почти с кубический километр может долго ждать действительно редких событий. Поэтому Baikal-GVD продолжают увеличивать. На глубине около километра висят тысячи стеклянных сфер. Большую часть времени они фиксируют фон и обычные частицы. Но иногда несколько десятков датчиков срабатывают почти одновременно. Компьютер соединяет короткие вспышки в одну картину и получает след частицы, которая могла лететь к Земле миллионы или миллиарды лет. Самого нейтрино уже нет. Но остается направление, откуда оно прилетело. И где-то там, возможно, находится объект, способный разгонять материю до энергий, механизм которых мы пока только пытаемся понять.