23 мая 2022

Началось создание нейтринной карты неба

«О том, что из космоса к нам прилетают нейтрино очень высоких энергий, было известно уже давно, но связать их с ядрами галактик – блазарами – удалось впервые», – главный научный сотрудник Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН академик РАН Валерий Рубаков рассказал об основных результатах проекта «Нейтрино и астрофизика частиц».

Энергии некоторых нейтрино, прилетающих к нам из глубин космоса, столь огромны, что измеряются петаэлектронвольтами (1 ПэВ = 1015 эВ). Для сравнения, энергия частиц, ускоренных Большим адронным коллайдером, самым мощным ускорителем на Земле, по крайней мере, на три порядка меньше и достигает лишь 7 ТэВ (1 ТэВ = 1012 эВ,1 ПэВ = 1000 ТэВ). Очень интересно узнать, что представляют собой гигантские космические ускорители, разгоняющие частицы до таких энергий. Но сделать это непросто.

«Нейтрино замечательны тем, что проходят сквозь любую толщу вещества, практически не взаимодействуя с ним, благодаря чему приносят информацию не о поверхности объекта, как электромагнитное излучение, а о том, что происходит в его недрах, – рассказывает руководитель проекта «Нейтрино и астрофизика частиц» академик Рубаков. – Кроме того, нейтрино не имеют заряда, поэтому летят всегда строго по прямой от своего источника».

В отличие от космических лучей, то есть потоков заряженных частиц, нейтрино не отклоняются в пути под действием галактических магнитных полей, и, в отличие от фотонов, легко пролетают сквозь всевозможные газопылевые облака и прочие преграды. Они могут дать уникальную информацию о строении самых загадочных объектов во Вселенной, но сложность состоит именно в их слабом взаимодействии с материей. Чтобы повысить вероятность регистрации редких событий, связанных с воздействием прилетевшего из космических далей нейтрино, приходится использовать огромные объемы вещества в виде километровых толщ воды или льда.

Для этого в мире были созданы два гигантских астрономических инструмента. Первый – это международная нейтринная обсерватория IceCube на Южном полюсе объемом около 1 км3. Второй – российский нейтринный телескоп Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector) объемом около 0,4 км3, погруженный в воды самого глубокого озера мира. Эта российская установка класса мегасайенс, в 2021 году введенная в эксплуатацию, является ключевым инструментом проекта «Нейтрино и астрофизика частиц».

Baikal-GVD уже начал выдавать результаты, зафиксировав первые 10 кандидатов на астрофизические нейтрино сверхвысоких энергий, среди которых обнаружилось одно событие с энергией около 1 ПэВ. Но чтобы выяснить, какие именно объекты являются источниками этих нейтрино, этих данных недостаточно. Нужны «подсказки» от инструментов, работающих с другими типами излучений.

«Обычно полагали, что следует искать связь нейтрино с высокоэнергичными фотонами, – рассказывает академик Рубаков. – Но российские ученые – члены консорциума проекта – решили изучить корреляцию между нейтринными событиями и радиоисточниками. Этого до них никто никогда не делал».

Использовалось то обстоятельство, что многие радиоисточники – переменные. Они то вспыхивают, то переходят в спокойное состояние, и через привязку по времени можно понять, связана ли генерация нейтрино сверхвысоких энергий со вспышечной активностью в радиодиапазоне. Для этого использовались данные радиотелескопов всего мира, включая крупнейший российский радиотелескоп РАТАН-600 Специальной астрофизической обсерватории РАН (САО РАН), также ставший частью проекта «Нейтрино и астрофизика частиц», поскольку он хорошо работает в нужном для этих исследований диапазоне и имеет достаточное временное разрешение.

Комбинация всех этих данных позволила утверждать, что самые энергичные нейтрино имеют внегалактическое происхождение. Впервые на высоком уровне статистической достоверности удалось определить класс источников астрофизических нейтрино высоких энергий – ими оказались блазары. Это разновидность квазаров, активных ядер галактик, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Квазары испускают узкие и мощные струи плазмы, а блазарами называют такие квазары, струи которых направлены прямо на Землю. Похоже, что именно в этих струях и происходит ускорение частиц до очень высоких энергий. Предположения о том, что именно блазары могут быть природными ускорителями сверхбольшой мощности, выдвигались давно, но впервые удалось подтвердить это статистически.

Был обнаружен источник нейтрино и в нашей Галактике. Энергия этих нейтрино тоже очень высока – около 150 ТэВ. В данном случае возможность идентификации дало совпадение по времени и направлению прихода нейтрино, зафиксированных обсерваторией IceCube, со вспышкой гамма-квантов высоких энергий (свыше 300 ТэВ), зафиксированной гамма-детектором «Ковёр-2» Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН, также входящей в коллаборацию по проекту «Нейтрино и астрофизика частиц». Подобное совпадение было зафиксировано впервые в мире.

Галактический источник нейтрино обнаружился в области интенсивного звездообразования в созвездии Лебедя. К сожалению, отождествить его с конкретным объектом пока не удалось. Проблема в том, что у нейтринных и гамма-телескопов довольно плохое угловое разрешение по сравнению с тем, что достигается оптическими и радиотелескопами. Это происходит потому, что детекторами регистрируется не само нейтрино, а черенковское излучение, возникающее при его взаимодействии с веществом – со льдом или с водой. То же самое относится и к гамма-квантам, которые порождают довольно широкий «ливень» вторичных частиц в атмосфере, его и зафиксировал «Ковёр-2». Поэтому область неба, откуда пришли эти частицы, локализована недостаточно точно, и в ней есть несколько кандидатов на роль космического ускорителя.

В 2022 году в рамках проекта произошла еще одна «мировая премьера»: два нейтронных телескопа – IceCube и Baikal-GVD – впервые зарегистрировали нейтринную вспышку одного и того же источника – блазара PKS 0735+17. Вообще-то, Baikal-GVD лучше видит южную половину неба (в направлении «сквозь Землю», которая заслоняет детекторы от фоновых событий), а IceCube – северную, но тут произошла такая вспышка, что ее увидели оба телескопа. Это еще раз подтвердило данные о блазарах как источниках нейтрино сверхвысоких энергий. Таким образом, по сути, с помощью двух этих инструментов началось создание нейтринной карты неба.

Сообщения об этих событиях вышли в престижных астрономических журналах и вызвали широкий отклик во всем мире. А всего по полученным в рамках проекта «Нейтрино и астрофизика частиц» результатам на настоящий момент опубликовано 47 статей в ведущих мировых и российских и научных журналах. Эти статьи активно используются и цитируются учеными, они существенно повлияли на направления исследований научных групп в мире, занимающихся астрофизикой высоких энергий и физикой нейтрино.

И это лишь вершина айсберга – видимая часть огромной работы по этому проекту.

Изучение самого нейтрино – вторая составляющая проекта – обещает открыть много тайн природы. К примеру, загадку так называемой темной материи, которую до сих пор не удалось идентифицировать. Кандидаты на эту роль – так называемые стерильные нейтрино, названные так потому, что они вообще никак не реагируют с веществом и обнаруживают свое существование только суммарным гравитационным воздействием. Но как тогда можно зарегистрировать отдельную частицу?

Сегодня известны нейтрино трех типов, причем эти частицы осциллируют, то есть превращаются друг в друга. Гипотетические стерильные нейтрино – четвертый тип. Предполагается, что нейтрино известных трех типов также могут превращаться в стерильные в результате осцилляций. Сами по себе стерильные нейтрино обнаружить нельзя, но можно зафиксировать «исчезновение» части нейтрино других типов. Это и будет подтверждением гипотезы.

Это «исчезновение» пытаются обнаружить в российском эксперименте DANSS (ОИЯИ и ФИАН), измеряющем события, связанные с потоком нейтрино из активной зоны реактора Калининской АЭС. Задачу поиска стерильных нейтрино решает и установка «Троицк ню-масс» в ИЯИ РАН. Пока подтвердить существование стерильных нейтрино в эксперименте не удалось, нужна модернизация оборудования, и проект «Нейтрино и астрофизика частиц» дал на это средства.

Еще одна загадка мироздания – это вопрос о различии между материей и антиматерией. Пока наука не может объяснить, почему вскоре после момента Большого взрыва, породившего нашу Вселенную, вещества оказалось больше, чем антивещества. Собственно, именно благодаря этому существует наш мир, поскольку материи, из которой состоит все вокруг, включая нас самих, просто не с чем аннигилировать. Возможно, ответ на этот вопрос даст изучение свойств нейтрино и антинейтрино, если будет подтверждено уже обнаруженное указание на существование разницы между ними. Эту тайну должны разгадать грандиозные международные проекты Т2К и «Гипер-Камиоканде» с российским участием.

Проект «Нейтрино и астрофизика частиц» позволил завершить создание уникального нейтринного детектора SuperFGD, который будет использоваться в Т2К и «Гипер-Камиоканде». Оборудование скоро будет отправлено в Японию, но технологии, разработанные при его создании, и специалисты, владеющие ими, останутся в России и принесут пользу в других проектах.

Сейчас в мире стремительно развивается новая область астрофизики, которую называют многоволновой или многоканальной, когда астрономический объект изучается с использованием разных инструментов, принимающих излучения разных диапазонов: оптическое, инфракрасное, микроволновое, радиоволны, гамма-лучи, рентген, космические лучи. В последние годы к ним добавились гравитационные волны и нейтрино.

«Буквально на наших глазах происходит становление этого направления, и этому способствует проект «Нейтрино и астрофизика частиц». В этом смысле он самый передовой не только в рамках наших реалий, но и с точки зрения мировой науки», – отмечает академик РАН Рубаков.

Непосредственное участие в консорциуме по проекту принимают семь научных и научно-образовательных организаций (Институт ядерных исследований РАН – основной исполнитель, Объединенный институт ядерных исследований, Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Специальная астрофизическая обсерватория РАН, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Иркутский государственный университет, Московский физико-технический институт). Над проектом работают ученые из пяти регионов России (Москва, Московская и Иркутская области, Кабардино-Балкарская и Карачаево-Черкесская республики), а также зарубежные коллеги.

Конечно, к началу проекта многое уже существовало, но для того, чтобы астрономические инструменты соответствовали современным требованиям, их надо постоянно модернизировать. Именно на это пошла значительная часть средств, выделенных в рамках проекта.

К примеру, была проведена модернизация уникальный светоприемной аппаратуры для 2,5-метрового телескопа Кавказской горной обсерватории Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга (КГО ГАИШ) МГУ. Это позволило увеличить эффективность приемников в оптическом и ИК-диапазоне на 10–20 %, что дает возможность наблюдения слабых квазаров – потенциальных источников нейтрино высоких энергий. ИК-наблюдения проводятся на территории Российской Федерации только на этом инструменте, так что поддерживать его уровень крайне важно.

Проект рассчитан на три года и дает научные результаты мирового уровня прямо сейчас. Но еще одна его важнейшая задача – задел на будущее. К примеру, для Большого баксанского нейтринного телескопа, строительство которого только планируется, разработан первый в мире жидкий кремнийорганический сцинтиллятор (вещество, излучающее свет при поглощении ионизирующего излучения), значительно превосходящий по параметрам существующие в мире аналоги.

«300 млн рублей – это очень крупная сумма для отечественной нейтринной физики, и очень многие острые вопросы были решены за счет этого гранта. Это – наиболее серьезное вложение в эту передовую область науки в последние годы», – говорит Валерий Рубаков.