13 декабря 2013

Евгений Широков, НИИЯФ МГУ: "Нейтрино – это основной проводник всех процессов, которые происходят во Вселенной"

Научная группа НИИЯФ МГУ и кафедры общей ядерной физики физфака МГУ активно участвует в проектах, связанных с глубоководными нейтринными телескопами в Средиземном море: ANTARES, NEMO и KM3Net. Работы ведутся под руководством научного сотрудника отдела электромагнитных процессов и взаимодействий атомных ядер (ОЭПВАЯ) НИИЯФ МГУ, кандидата физико-математических наук, доцента Евгения Вадимовича Широкова.

Среди вышеуказанных проектов самым современным является KM3NeT (KM3 Neutrino Telescope). В настоящее время KM3NeT находится в стадии разработки, которая должна закончиться сооружением огромного телескопа в 2016-17 годах. В KM3NeT вошли два действующих проекта - ANTARES и NEMO. Для работы над новым проектом создан консорциум из 40 институтов 10 европейских стран.

Телескоп проекта KM3NeT будет размещён на дне Средиземного моря. Он предназначен для регистрации астрофизических нейтрино, приходящих из различных объектов Вселенной: звёзд, ядер Галактик, сверхновых.

Средиземноморский нейтринный телескоп представляет собой вертикальное сооружение. В него входит набор из 320 тросов длиной 900 метров, которые будут закреплены на дне при помощи якорей. Для поддержания тросов в вертикальном положении их оснастят поплавками. Поперёк тросов будут закреплены шестиметровые рамы с цифровыми оптическими модулями на концах. Планируется расположить 20 таких этажей из рам, разделённых расстоянием в 40 метров. Нижний этаж будет находиться в ста метрах от дна моря. Толща воды сверху от двух километров защитит телескоп от солнечного света.

Каждый оптический модуль – это пластиковая сфера, в которой размещён фотоэлектронный умножитель и сопутствующая электроника.

Нейтрино при взаимодействии с веществом вызывает образование заряженного «партнёра»-мюона, который, двигаясь в воде, генерирует оптическое черенковское излучение. Именно при регистрации этого излучения оптическими модулями и возможна регистрация первичной частицы.

- Евгений Вадимович, расскажите, пожалуйста, об участии Вашей группы в проектах средиземноморских нейтринных телескопов.

- Наша группа участвует в проектах глубоководных нейтринных телескопов с 2005 года. В настоящий момент мы принимаем участие в решении различных задач, связанных как с работой действующих телескопов ANTARES и NEMO, так и проектируемой KM3NeT.

В первую очередь, это моделирование и оптимизация конфигураций нейтринных телескопов. Эта деятельность включает в себя решение множества более мелких проблем. Например, конфигурация детектора должна быть такой, чтобы оптические модули хорошо «видели» друг друга, в то же время они должны быть максимально разнесены в пространстве. Во-первых, для увеличения общего эффективного объёма телескопа, а во-вторых, для максимального сокращения количества оптических модулей, ведь каждый такой элемент телескопа имеет немалую стоимость. На один оптический модуль уходит 20-25 тысяч евро. Таким образом, оптимизация ведётся не только с научной целью, но и с экономической.

Сейчас в проекте ANTARES оптических модулей около 500 штук. А в KM3NeT будет в 10-12 раз больше – примерно 5-6 тысяч. В IceCube – нейтринной обсерватории в Антарктике, которая является на данный момент крупнейшим нейтринным телескопом, - сейчас 5 тысяч с небольшим.

- Если есть IceCube с 5 тысячами оптических модулей, зачем нужен подобный KM3NeT?

- Все детекторы такого типа, находясь на дне моря, направлены в землю. Почему? Потому что земля задерживает все частицы, кроме нейтрино. Поэтому то, что вы видите, это нейтринный поток. Когда вы находитесь на южном полюсе и смотрите вниз, то видите только то, что летит из северной полусферы. А то, что над вами, вы не видите. Поэтому IceCube, находящийся на южном полюсе, видит только около половины небесной сферы. Для того, чтобы её видеть практически всю, вам нужна ответная часть, в данном случае - северное полушарие. KM3NeT будет как бы «дополнением» IceCube. С помощью этих двух телескопов возможно запланированное создание так называемой глобальной нейтринной обсерватории. Будет объединение данных двух проектов и полный контроль над всеми нейтринными событиями, которые происходят во всей небесной сфере. Тогда будет возможность получать информацию о событиях, в какой бы части небесной сферы оно не происходило. Однако, этот проект рассчитан на 2018-2019 годы, сначала необходимо создание кубокилометрового телескопа в Северном полушарии.

- Ваша группа создаёт что-либо для проекта?

- Да. В телескоп входят оптические модули, основным элементом которых являются фотоумножители. Наша группа принимала участие в работе по созданию прототипов фотоэлектронных умножителей для нейтринного телескопа NEMO. Ведь каждый проект имеет свои особенности, кроме того, если возможно, было бы желательно улучшать характеристики тех устройств, которые уже использовались. Данная работа, разумеется, предполагает размещение сотрудников вблизи самого телескопа, поэтому она проводится в лабораториях Национального Института Ядерной Физики Италии (INFN), с которым нас связывает давнее и плодотворное сотрудничество. Это один из наших основных партнёров, наряду с Институтом Физики Частиц (Марсель), Институтом Субатомной физики (Амстердам) и рядом других европейских научных центров.

К ещё одной задаче, которой занимается наша группа, относится создание фильтра биолюминисценции. Это работа связана уже с проектом ANTARES. Дело в том, что в морской воде даже на большой глубине - 3-3.5 километра - находится большое количество живых существ, которые освещают свой путь в темноте. Они постоянно испускают свечение и находясь вблизи оптических модулей нейтринных телескопов, создают их «засветку». Напомню, что эти устройства предназначены как раз для того, чтобы регистрировать черенковский свет, который создают высокоэнергичные частицы. Поэтому если какое-то подводное создание плавает и подсвечивает себе путь, то это создаёт помеху. Оптический модуль, разумеется, регистрирует и эти световые сигналы, которые существенно мешают работе. Поэтому в задачу входило создание программы, которая бы удаляла посторонний биологический шум из данных, которые мы получаем из телескопа. Вот этим непосредственно занимался сотрудник ОЭПВАЯ Владимир Александрович Куликовский, который работает в нашей группе. Данная работа вошла в основной перечень результатов коллаборации ANTARES, многократно докладывалась на конференциях, опубликована в научных журналах.

- Какие ещё хотели бы отметить основные направления деятельности в рамках трёх проектов?

- Например, обработка результатов от детектора ANTARES. В основном сейчас этим занимаются аспиранты и студенты старших курсов кафедры общей ядерной физики физического факультета МГУ. Телескоп ANTARES постоянно регистрирует большое количество различных событий, их нужно обрабатывать, чтобы понять, что именно мы видим с помощью данного детектора. Кроме того, идёт разработка алгоритма поиска сверхновых, разработка критериев достоверности нейтринных событий.

Ещё можно отметить работу над совершенно новым астрофизическим явлением - Fermi Bubbles. Это явление открыто четыре года назад гамма-телескопом на орбите Земли. В плоскости нашей галактики обнаружено интенсивное свечение, напоминающее два пузыря. Поскольку орбитальный телескоп FermiLAT назван в честь Энрике Ферми, то соответственно свечение названо «пузырями Ферми» - Fermi Bubbles. Есть все основания предполагать, что вокруг плоскости галактики есть такие же свечения не только в гамма-диапазоне, но и в нейтринном диапазоне. Владимир Куликовский готовит в настоящий момент кандидатскую диссертацию на эту тему. В отечественной практике это будет первая научная работа, посвященная этому интересному явлению.

- Каково значение подобных исследований?

- Это пример изучения глобальных астрофизических явлений, причём недавно открытых. Ведь до 2009 года никто не имел представления о том, что такие явления вообще есть. Все исследования астрофизических нейтрино сейчас направлены на изучение их возможных или неизвестных источников во Вселенной. Нейтрино – это основной проводник всех процессов, которые происходят во Вселенной, потому что все остальные сигналы до нас доходят искажёнными или плохо доходят, поглощаются. А нейтрино может принести информацию буквально о всех процессах, которые происходят во Вселенной. Проблема стоит только в том, как их зарегистрировать.

- Какими ещё направлениями в этой области занимается Ваша группа?

- Мы сейчас начинаем заниматься весьма интересным направлением – нейтринной гидроакустикой. Это направление пока довольно плохо проработано. Идея заключается в том, чтобы регистрировать нейтрино с помощью акустического сигнала, который возникает при его взаимодействии с веществом в воде. Этот метод может дать нам очень большие преимущества, потому что сигнал распространяется очень далеко по сравнению с черенковским светом, на основе которого работают сейчас все детекторы. Акустический сигнал идёт на много километров. И если бы в будущем были созданы установки на базе нейтринной гидроакустики, то они могли бы иметь объём в сотни кубических километров. Эффективность возросла бы на порядки. И мы бы видели карту мира в нейтринных координатах. Пока, правда, не всё так просто с этим направлением. Во-первых, не проработан механизм того, как частицы сверхвысоких энергий создают акустический сигнал определённой формы. Во-вторых, инструментарий для подобного массового применения пока довольно дорог. Но работа ведётся, мы уже непосредственно в этом участвуем.

- Что ещё хотели бы добавить?

- Сейчас нами создаётся нейтринный портал МГУ. Это сайт, на котором будет размещаться информация разного сорта, связанная с физикой нейтрино и нейтринными экспериментами: и популярная, и научная. Информация о том, что сейчас происходит в физике нейтрино, а также база по данным нейтринных экспериментов. Это все те нейтринные эксперименты, которые были проведены с 60-ых годов. Постараемся собрать всё вместе. Она будет представлять интерес и для исследователей, и для тех, кто просто интересуется, например, для студентов, которые изучают эту тему, причём не только в университете, но и за его пределами. Это большой проект, который мы разрабатываем и, думаю, что в ближайшие месяцы будет макет этого портала. Физически он будет находиться в нашем домене – НИИЯФ МГУ.

- Имеются подобные порталы?

- Подобного в мире нет пока. На сайтах институтов отдельные группы представляют свои данные, а вот такого, чтобы всё было собрано, такого пока нет.

- Будете привлекать ещё кого-то?

- Пока работает созданная команда: студенты старших курсов, аспиранты, наши сотрудники. Если проект будет развиваться, то вполне возможно будет привлечение ещё кого-то. Были обсуждения с коллегами из Италии. Они подтвердили, что это интересно. Думаю, в ближайшее время у всех будет возможность в этом убедиться.