Создание крупной установки класса мегасайенс —нейтринного телескопа Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector), переходит в заключительную стадию. В настоящий момент активный объем достиг 0,8 кубического километра, что составляет 80% от запланированного. Важной составной частью данного масштабного проекта может стать наземная станция для регистрации широких атмосферных ливней, работа которой должна быть синхронизирована с системой глубоководных детекторов. Ученые лаборатории новых методов регистрации ионизирующих излучений Междисциплинарного центра физики элементарных частиц и астрофизики Физического факультета НГУ предложили техническое решение данной задачи за счет оснащения данного объекта разработанными ими сцинтилляционными детекторами и провели моделирование наземной станции Байкальского нейтринного телескопа.
Baikal-GVD — один из трех действующих нейтринных телескопов в мире и, наряду с телескопами IceCube на Южном полюсе и KM3NeT в Средиземном море. Расположен в южной части озера Байкал, примерно в 3,6 км от берега. Представляет собой крупную глубоководную обсерваторию на дне озера Байкал, предназначенную для поиска и исследования потоков нейтрино сверхвысоких энергий из космоса. Является крупнейшим в Северном полушарии нейтринным телескопом.
Baikal-GVD представляет собой систему вертикальных «гирлянд» с оптическими модулями, закрепленными подо льдом зимой и погруженными на стальных тросах в толщу воды. Глубина погружения составляет от 750 до 1300 метров. Также в состав телескопа входят электронные модули для питания электричеством, сбора данных, управления телескопом и выполнения других задач. Станции объединены в группы, которые соединены с Береговым центром. Первый кластер был введен в эксплуатацию еще в 2016 году, и с тех пор проект постоянно расширяется. Модули улавливают слабое голубое свечение (черенковское излучение), которое возникает при взаимодействии нейтрино с водой. В настоящее время рабочий объем Baikal-GVD приближается к кубическому километру.
Данный объект создается силами международной коллаборации с ведущей ролью Института ядерных исследований Российской академии наук (г. Москва) и Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна).
IceCube — крупнейшая нейтринная обсерватория. Находится на антарктической станции Амундсен-Скотт в толще льда. Детектор фиксирует черенковское излучение от вторичных частиц, образующихся при взаимодействии космических нейтрино со льдом. Его объем составляет один кубический километр льда. Установка состоит из 86 «гирлянд» с прикрепленными оптическими детекторами (фотоумножителями, ФЭУ) — по 60 фотоэлементов на каждой. «Гирлянды» размещены в 125 метрах друг от друга. Над установкой расположен детектор IceTop, позволяющий отличить одиночные космические нейтрино от нейтрино, рожденных в атмосфере в результате взаимодействия высокоэнергичного космического протона, фиксируя в последнем случае поток вторичных частиц на уровне земли. Установка IceCube завершилась в 2010 году.
Нейтрино — это нейтральная элементарная частица с крайне малой массой, которая почти не взаимодействует с обычной материей. У частицы нет электрического заряда, поэтому она не подвержена воздействию электромагнитных сил. Нейтрино рождаются в термоядерных реакциях, питающих звезды, а также прилетают от взрывов сверхновых и далеких галактик.
– Астрофизические нейтрино, прилетающие из глубин космоса, практически ничем не отличаются от нейтрино, которые рождаются в верхних слоях атмосферы нашей планеты от взаимодействия космических протонов. Следует отметить, что вторых гораздо больше. Отличить нейтрино, рожденные в дальнем космосе от нейтрино, образовавшихся в земной атмосфере, возможно статистически – атмосферные нейтрино регистрируются при малых энергиях, а астрофизические — в диапазоне более высоких энергий. Здесь многое зависит от точности расчетов, производимых с помощью специально разработанных программ моделирования, которые необходимо настраивать и проверять для каждого конкретного эксперимента. В эксперименте IceCube для этого над глубинными детекторами, находящимися в толще льда на глубине 2,5 км, на ледовой поверхности установлены специализированные детекторы, регистрирующие широкие атмосферные ливни, в которых и рождаются атмосферные нейтрино. Данная система детекторов очень сильно помогает эксперименту IceCube продвигаться в моделировании и калибровке, а также в решении отдельных астрофизических задач.
Аналогичную систему необходимо иметь и на проекте Baikal-GVD, но это довольно сложная задача и ее решение связано с преодолением определенных сложностей. Установить детекторы атмосферных ливней непосредственно над глубинными детекторами на Байкале довольно затруднительно. Гирлянды с глубинными детекторами надежно закреплены якорями и сами себя поддерживают, но закрепить детекторы у поверхности воды гораздо сложнее. Если на Южном полюсе лед не тает круглый год, то Байкал каждую весну освобождается ото льда, кроме того, стабильной работе детекторов мешают ветра, дожди, таяние снега или замерзание воды, — рассказал заведующий лабораторией новых методов регистрации ионизирующих излучений Междисциплинарного центра физики элементарных частиц и астрофизики Физического факультета НГУ Евгений Анатольевич Кравченко.
В ходе научной дискуссии с известным российским астрофизиком, заместителем директора Института ядерных исследований РАН Григорием Игоревичем Рубцовым родилось предложение: поместить установку из детекторов, регистрирующих широкие атмосферные ливни не прямо над Байкальским нейтринным телескопом, а примерно в четырех километрах от него на берегу и регистрировать широкие атмосферные ливни на поверхности земли не вертикально, а со значительным наклоном. Таким образом появится возможность регистрировать широкие атмосферные ливни на поверхности земли и получить данные синхронного сигнала на Байкальском нейтринном телескопе. Береговую станцию было предложено назвать Baikal-Top.
При данной постановке задачи перед участниками проекта возник ряд очень серьезных вопросов относительно масштабов береговой установки. При вынесении ее на такое значительное расстояние от Байкальского нейтринного телескопа так называемый телесный угол уменьшается, а поглощение сигнала в воде увеличивается. Вполне возможно, чтобы получить достаточную статистику для исследований совместных событий, потребуется регистрирующая установка очень больших размеров, на сооружение которой будут необходимы значительные финансовые вложения. Также необходимо создать специализированную программу моделирования, способную рассчитать эффективную площадь детекторов и произвести оценку количества событий, которые будут регистрироваться при данном подходе, а также учесть целый ряд других важных параметров. Данной работой занялись Евгений Анатольевич Кравченко и инженер лаборатории Даниил Сергеевич Жадан.
— Для выполнения задачи, поставленной перед нами в рамках договора о проведении научно-исследовательских работ с Институтом ядерных исследований РАН, Даниилом Жаданом был создан некий код, которым мы и пользовались произведении наших расчетов. Существует широко распространенный, стандартный пакет, способный производить моделирование широких атмосферных ливней под названием Corsika. Нам пришлось разработать программу, использующую данный пакет, совместно с Proposal - пакетом, описывающим прохождение мюонов высокой энергии через большой слой воды (мюоны - тяжелые нестабильные элементарные частицы, обладающие огромной кинетической энергией и способные проходить сквозь плотные толщи вещества). Все это описывало так называемые совместные события. Полученные результаты были впервые представлены научному сообществу еще в прошлом году. Первые расчеты показали, что идея такой установки вполне реализуема и ее работа будет эффективна при площади регистрирующих детекторов от 100 до 600 квадратных метров. Площадь регистрации частиц в современных астрофизических установках достигает нескольких тысяч квадратных метров. Наши расчеты были сделаны для варианта установки, в которой используются сцинтилляционные детекторы, которые производит наша лаборатория для эксперимента «TAIGA». Установка площадью от 100 квадратных метров согласно предварительным результатам наших расчетов позволила бы регистрировать от ста совместных событий в год — на берегу улавливать частицы от широкого атмосферного ливня, а в Байкальском нейтринном телескопе в толще воды — мюоны большой энергии от этого же ливня. Если использовать установку площадью 500-600 квадратных метров, то количество зарегистрированных совместных событий будет достигать десятков тысяч ежегодно. Из расчетов видно, что данная зависимость нелинейная, потому что с ростом площади детекторов понижается порог регистрации частиц, что напрямую влияет на статистику регистрируемых событий, — объяснил Евгений Анатольевич Кравченко.
Результаты данных расчетов были опубликованы журнале «Экспериментальная теоретическая физика» (Towards Baikal-Top: Feasibility Study of an Onshore Detector System for the Joint Registration of EAS with Baikal-GVD) в текущем году.
Далее последовала работа над детализацией проведенного моделирования с более детальным описанием возможных детекторов и разброса по энергии атмосферных ливней. Предварительную информацию Евгений Анатольевич Кравченко представил на Всероссийской конференции по космических лучам, проходящей в конце июня и начале июля этого года, в которой принял участие со стендовым докладом. Он подчеркнул, что полученные и опубликованные оценки были очень консервативными, и не исключено, что количество регистрируемых частиц, особенно для малых площадей детекторов, в реальности будет приблизительно в 10 раз больше, чем было получено при первых расчетах, что свидетельствует о том, что такого типа эксперимент может ожидать достаточно быстрый старт.
В настоящее время ученые заняты проверкой результатов и планируют подготовить обновленную более детальную публикацию.
Предложенная учеными НГУ установка представляет интерес не только для калибровки Байкальского нейтринного телескопа. Она может применяться для проведения других исследований в области астрофизики и физики элементарных частиц, например, позволит продвинуться в решении так называемой мюонной загадки, которая представляет собой расхождение между реальными данными наземных детекторов и теоретическими расчетами, при которых мюонов в широких атмосферных ливнях оказывается на 30–60% больше, чем предсказывают существующие физические модели.
— Во многих экспериментах с регистрацией широких атмосферных ливней при больших энергиях наблюдается избыток частиц — так называемых мюонов, — которые не подтверждаются в рамках существующих теоретических моделей, заложенных в соответствующие программы моделирования. Чтобы детально изучить это расхождение, необходимо сразу измерять в широких атмосферных ливнях присутствие мюонов как сверхвысоких, так и высоких энергий. В этой области предложенная нами установка более привлекательна, чем пара физических установок, находящихся на Южном полюсе и задействованных в эксперименте IceCube, — сказал Евгений Анатольевич Кравченко.
Baikal-Top будет с меньшим количеством фона регистрировать вторичные мюоны, потому что предназначена для улавливания не вертикальных, а наклонных атмосферных ливней, а это значит, меньшей будет систематическая ошибка, что поможет проверить модели адронизации, которые используются в программах моделирования. Это, в свою очередь, даст дополнительную экспериментальную информацию для теоретических исследований в области энергии, которые недоступны на ускорителях частиц, в том числе на Большом адронном коллайдере.
Для улавливания широких атмосферных ливней ученые НГУ предлагают использовать сцинтилляционные детекторы, разработанные в Лаборатории новых методов регистрации ионизирующих излучений Междисциплинарного центра физики элементарных частиц и астрофизики ФФ НГУ вместе с коллегами их Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН для эксперимента «TAIGA». Именно этими детекторами оснащена установка для регистрации широких атмосферных ливней.
В данных сцинтилляционных детекторах используются комплектующие исключительно отечественного производства. Внутри герметичного корпуса расположены сцинтилляционные пластины на основе полистирола. Заряженная частица, попадая на них, производит вспышку, далее свет попадает на переизлучатель-световод, и выводится на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), откуда и считывается специализированной электроникой. В конструкции детектора используется ФЭУ с малой площадью фотокатода – это заметно уменьшает стоимость прибора, так как от размера ФЭУ зависит его цена.
Для ученых НГУ преимущества использования данных детекторов очевидны.
— При создании сцинтилляционных детекторов мы изначально ориентировались исключительно на отечественные материалы и разработки, поэтому решать проблему импортозамещения не придется, и с производством детекторов проблем не возникнет. Установка площадью 100 квадратных метров уже эффективно работает в эксперименте «TAIGA». За это время прошла ее обкатка, выяснены и устранены все слабые места. Электроника, задействованная в эксперименте «TAIGA» аналогична той, что применяется в проекте Baikal-GVD. Она вполне способна очень точно синхронизировать по времени работу станций Baikal-GVD и Baikal-Top. Именно синхронизация по времени позволяет восстановить большие наклонные события такого типа. По большому счету, каких-либо технических проблем для создания установки Baikal-Top нет. Мы намерены более детально прорабатывать различные физические задачи: необходимо установить, с какой точностью данная установка позволит провести соответствующую калибровку угла направления по совместным событиям и т.д.. Если мы говорим про исследование адронных моделей широких атмосферных ливней, необходимо определить, какие статистические данные и критические параметры важно учитывать в дальнейшей работе. Но данная задача вполне решаема, и, с моей точки зрения, достаточно интересна и перспективна, — пояснил Евгений Анатольевич Кравченко.
