Какие возможности будут у Байкальского нейтринного телескопа и какие работы будут проводится в бассейне астрофизического комплекса НЕВОД в МИФИ — рассказывают директор Института ядерных исследований РАН Максим Либанов и доцент НЕВОД Семён Хохлов.

Нобелевская премия по физике нынешнего года, доставшаяся бельгийскому и американскому физику Фрэнсису Хальцену за Ice Cube и нейтринные исследования, во многом построена на достижениях российских и советских учёных.

В НЕВОДе устанавливают модуль Baikal-HUNT 2. Фото: Пресс-служба НИЯУ МИФИ.

Дело в том, что в основе этого грандиозного эксперимента лежат физические идеи, когда-то сформулированные в СССР. Еще в 1934 году советский физик Павел Черенков, работавший в лаборатории Сергея Ивановича Вавилова, исследовал люминесценцию жидкостей под воздействием гамма-излучения, и обнаружил голубое излучение неизвестной природы. Позже было установлено, что это свечение вызывается электронами, движущимися со скоростями, превышающими скорость света в этой среде. За это открытие Черенков вместе с Таммом и Франком были удостоены Нобелевской премии 1958 года, а излучение получило название черенковского.

В 1960 году другой советский физик, академик Моисей Александрович Марков выдвинул революционную идею использовать этот эффект в огромных естественных объемах воды или льда для регистрации космических нейтрино сверхвысоких энергий. Эта концепция легла в основу современной нейтринной астрономии. При этом надо понимать, что Байкальский нейтринный телескоп, который начали строить в Институте ядерных исследований еще в 1980-х, почти на три десятка лет старше, чем Ice Cube. Из-за недостатка финансирования проект был фактически заморожен, и в 2015 году после подключения Объединенного института ядерных исследования (Дубна) начал активно развиваться и успешно функционировать.

Baikal-HUNT – это совместный российско-китайский проект по созданию гигантского нейтринного телескопа в озере Байкал. Его цель – регистрация нейтрино сверхвысоких энергий выше 100 тераэлектронвольт. Установка может стать крупнейшей в мире – она будет занимать объём до 30 кубических километров.

Проект HUNT затевается как логическое продолжение российского нейтринного телескопа Baikal-GVD. Всего для размещения в Байкале будет изготовлено около 2300 глубоководных гирлянд и 50 000 оптических модулей. Эксперимент начался в 2025 году, когда рядом с кластерами нейтринного телескопа Baikal-GVD были смонтированы два прототипа гирлянд нейтринного телескопа HUNT. Сейчас в воде работает уже три гирлянды с 24 модулями. В будущем информация, получаемая с нейтринного телескопа HUNT, будет обрабатываться в дата-центре, который планируется построить в городе Байкальск на южном берегу озера Байкал. Доступ к дата-центру будет и у российских, и у китайских учёных.

Зачем нужна калибровка модулей? Главная проблема современных установок для астрофизики высоких энергий – это значительное расхождение результатов. Потоки нейтрино, измеренные телескопами Baikal-GVD и IceCube, отличаются на несколько десятков процентов. Никто пока не понимает, связано это с разным потоком нейтрино из разных частей галактики или еще с чем-то другим. Взаимной калибровки нет, каждый эксперимент тестирует свое оборудование немного по-своему. Поэтому очень важно привести как уже построенные, так и только создаваемые нейтринные телескопы к общему знаменателю. В ядерном университете над этой проблемой задумались еще несколько лет назад и в 2020 году запатентовали особый способ калибровки оптических модулей по черенковскому свету от окологоризонтальных мюонов. Такую калибровку в НИЯУ МИФИ уже прошли модули Baikal-GVD, теперь началась калибровка Baikal-HUNT. Таким образом, НИЯУ МИФИ становится важнейшим мировым центром по испытанию оборудования для нейтринной астрофизики.

Как будет проходить процесс калибровки объясняет доцент НОЦ НЕВОД Семён Хохлов: «Модуль HUNT будет размещен по центру бассейна НЕВОДа. Вокруг бассейна есть координатно-трековый детектор ДЕКОР, который может с очень высокой точностью отбирать горизонтальные мюоны и восстанавливать их треки. «Отобранные» мюоны будут генерировать черенковский свет, и мы будем знать точный угол падения черенковского света на тестируемый модуль. Каждую неделю мы будем поворачивать тестируемый модуль на 15°, и он будет с разных сторон засвечиваться черенковским излучением. Два привезенных в НИЯУ МИФИ китайских модуля будут откалиброваны таким образом за 6-7 месяцев. А дальше, при реконструкции событий в телескопе HUNT, для всех 50 тысяч модулей будут использованы зависимости, измеренные для этих двух оптических модулей. Общая идея подобной калибровки была запатентована нами еще шесть лет назад».

«Нужных эффектов можно достичь не в любом водоеме, – рассказывает Максим Либанов, член-корреспондент РАН, директор Института ядерных исследований РАН. – Очень важна глубина и чистота воды, иначе сигнал поглотится, и ничего не будет видно. В прозрачной воде или во льду зарегистрировать возможно, но со льдом есть свои проблемы. В частности, детекторы вмораживают в лед, и достать их оттуда уже нельзя. Если сломались, починить невозможно. Вторая проблема – с чистотой. Лед, хоть и прозрачный, имеет пузырьки, на которых свет рассеивается, что приводит к уменьшению точности исследований. В воде же много важных преимуществ: пузырьков нет, можно починить аппаратуру, если есть необходимость. Мы регулярно достаем из воды гирлянды телескопа, чиним какие-то детали, чистим поверхность».

Важность научных результатов, которые получают ученые, работающие на Байкальском нейтринном телескопе, невозможно переоценить. Этот эксперимент, который был начат под руководством члена-корреспондента РАН Григория Владимировича Домогацкого, сегодня превратился в настоящий мегапроект. За это время были обнаружены интересные эффекты, связанные с байкальской экологией, с чистотой воды, был открыт эффект вертикальных электрических токов, который до сих пор во многом остается загадкой для ученых. Были проведены первые измерения потоков нейтрино, отработаны технологии обработки данных. Сейчас за счет расширения телескопа начали регистрироваться астрофизические потоки от ядер активных галактик, что позволит узнать, рождаются ли нейтрино именно там.

«Очень важно, что наш телескоп вместе с Ice Cube покрывает всё небо, и, таким образом, мы получаем полную картину происходящего, – говорит Максим Либанов. – Когда мы достроим телескоп, ожидается, что будем регистрировать около 20 событий в год. Для нейтринной физики это немало, хотя нобелевские результаты Ice Cube сейчас включают около трёх десятков таких событий. Мы будем набирать статистику, увеличивать точность определения направления и энергии, и это станет поворотным моментом во всей современной астрофизической науке. Мы ждем тут больших прорывов».

Есть тут и огромные прикладные перспективы. Нейтрино с его всепроникающими свойствами способны просветить Землю и узнать, что у неё внутри, выяснить её сейсмику, научиться прогнозировать землетрясения. Можно с их помощью разведывать полезные ископаемые, исследовать планеты и Солнце. По спектру нейтрино можно узнать, что происходит внутри ядерного реактора на атомных электростанциях, и это направление сейчас бурно развивается.