Культурно-просветительский центр АМАР, который появится на берегах Байкала к 2030 году, сможет раскрыть тайны озера для широкой публики. Одним из его экспонатов станет глубинный нейтринный телескоп, созданный Институтом ядерных исследований РАН и работающий в водах озера уже сейчас.
Как появилась Вселенная? Ответ может скрываться в водах Байкала
Одна из величайших загадок науки — происхождение Вселенной. Современные исследования показывают, что ключ к разгадке может находиться не в далеких галактиках, а в глубинах самого древнего озера на Земле — Байкала. Здесь, начиная с 2021 года, работает уникальная нейтринная обсерватория, способная улавливать частицы, возникшие в первые мгновения после Большого взрыва.
Unsplash
Байкал — идеальная лаборатория для изучения нейтрино
Этот телескоп — сложная система из подводных сфер, закрепленных на тросах и погруженных в толщу воды.
Культурно-просветительский центр АМАР
Культурно-просветительский центр АМАР
Нейтрино – невидимые космические путешественники
Представьте, что сквозь вас каждую секунду пролетают миллиарды крошечных частиц, которые не оставляют следа. Это нейтрино – настоящие «невидимки» из мира физики. Они рождаются внутри звезд, в ядерных реакторах и даже в вашем теле – когда в нем распадаются радиоактивные вещества. Но поймать их почти невозможно: нейтрино может пролететь сквозь всю Землю, даже не заметив ее.
Ученые называют их «призрачными частицами», но это не мешает исследовать нейтрино с помощью огромных детекторов – например, закопанных глубоко под землей, спрятанных во льдах Антарктиды или глубоко под водой, как на Байкале. Нейтрино помогают разгадывать загадки Вселенной: как взрываются звезды, куда исчезла антиматерия и что такое темная материя. А еще они могут оказаться... своими собственными античастицами!
Нейтрино – как секретные агенты космоса: их трудно обнаружить, но они знают так много, что однажды могут перевернуть всю физику.
Байкальский нейтринный телескоп
Байкальский телескоп и мировая нейтринная сеть
Байкальский нейтринный телескоп — часть Глобальной нейтринной сети (GNN), куда также входят телескоп IceCube, расположенный во льдах Антарктиды, и два телескопа в Средиземном море — ANTARES и KM3NeT.
Как работает нейтринный детектор? Эффект Вавилова — Черенкова
Основной метод регистрации нейтрино основан на эффекте Вавилова — Черенкова. Это свечение возникает, когда заряженная частица (например, электрон) движется в воде быстрее, чем свет в этой среде, но не быстрее скорости света в вакууме.
В 1934 году физик Павел Черенков заметил слабое голубое свечение в жидкостях под действием радиации. Оказалось, что это свечение вызывают электроны, движущиеся быстрее света в этой среде. Но снова же: не быстрее скорости света в вакууме.
Павел Черенков
Сергей Вавилов
Эксперименты показали, что свечение не похоже на обычную люминесценцию — оно не зависит от состава жидкости и не гаснет при изменении температуры. Тогда другой ученый, Сергей Вавилов, предположил, что свет излучают сами быстрые электроны.
Позже советские физики Игорь Тамм и Илья Франк сумели объяснить этот феномен. В 1958 году все трое получили Нобелевскую премию за открытие эффекта Вавилова-Черенкова.
Сегодня эффект Вавилова — Черенкова используется в детекторах частиц по всему миру, включая байкальский телескоп. Когда нейтрино сталкивается с атомом воды, рождается заряженная частица (мюон или электрон), которая движется со сверхсветовой (для воды) скоростью, создавая вспышку света. Именно ее и фиксируют подводные датчики.
Байкальский нейтринный телескоп
От первых экспериментов к современному телескопу
Идея использовать Байкал для детектирования нейтрино появилась еще в 1980 году, когда советский физик Александр Чудаков предложил этот водоем для исследований.
Этапы развития проекта
- С 1981 года началась работа с подводными детекторами, а в 1993 году были погружены первые три гирлянды будущего байкальского нейтринного телескопа НТ-200. В том же году они детектировали первые два нейтрино. В 1998 году телескоп был закончен и имел общий объем 100 тыс. м³.
- С 2015-го по 2021-й телескоп был модернизирован до Baikal-GVD (Гигатонный объемный детектор).
- Сейчас телескоп состоит из 8 кластеров (групп оптических модулей, объединенных в отдельные детекторы для регистрации вспышек света, возникающих при взаимодействии нейтрино с водой или льдом), а к 2030 году их число планируют увеличить до 27. Это сделает Байкальскую обсерваторию одним из самых мощных инструментов для изучения нейтрино в мире.
Почему это важно?
Исследования нейтрино призваны решить множество научных задач:
- понять эволюцию Вселенной;
- изучить природу темной материи;
- обнаружить нейтрино от сверхновых и черных дыр;
- проверить физику за пределами Стандартной модели.
Как сказал Манне Сигбан из Шведской королевской академии наук: «Открытие эффекта Вавилова-Черенкова — яркий пример того, как простое наблюдение может привести к великим открытиям».
Сегодня Байкал становится ключевой точкой в изучении космоса, а его глубины — окном в прошлое Вселенной.
Байкальский нейтринный телескоп — не просто научный инструмент, а мост между прошлым и будущим физики. Возможно, именно здесь человечество найдет ответ на вопрос: как родилась наша Вселенная?