Через несколько лет должен вступить в строй один из самых больших и самых интересных инструментов в истории астрономии — расположенный глубоко под поверхностью Средиземного моря нейтринный телескоп KM3Net.

Астрономы изучают процессы, происходящие во Вселенной на значительном расстоянии от нас, методом наблюдений. На поверхности планеты и в космосе расположено множество обсерваторий, регистрирующих излучения в самых различных диапазонах — от радиоволн до высокоэнергетических гамма-лучей. Однако электромагнитное излучение, доходя до земных наблюдателей из просторов Вселенной, может поглощаться и искажаться. Но есть частицы, которые не поглощаются даже при распространении на очень большие расстояния. Это нейтрино. Правда, есть и обратная сторона медали — благодаря этому же свойству нейтрино, слабо взаимодействующие с веществом, очень сложно обнаруживать. Для того чтобы зарегистрировать нейтрино и определить энергию этих частиц (чтобы отличить наши «местные» солнечные нейтрино от их высокоэнергетических собратьев, которые прилетели из глубокого космоса), требуются чрезвычайно чувствительные инструменты и огромные объемы взаимодействующего с нейтрино вещества. Например, льда, как в недавно построенном на Антарктической станции Амундсен-Скотт нейтринном телескопе IceCube («Ледовый куб»). А в ближайшие годы в глубинах Средиземного моря будет сооружен инструмент с говорящим названием KM3Net (KM3 Neutrino Telescope, «нейтринный телескоп объемом в кубический километр»), начиненный тысячами сверхчувствительных датчиков.

Комбинация относительно невысокого потока космических нейтрино высоких энергий и их слабого взаимодействия с веществом требует очень массивных детекторов (1012 кг). Одна из возможностей — это использовать природные водоемы для размещения трехмерных массивов оптических модулей, расположив их ниже уровня засветки дневным светом (около 1 км) и даже еще глубже, чтобы минимизировать засветку детекторов излучением, возникающим при взаимодействии мюонов, родившихся в атмосфере под влиянием космических лучей, с водой.

Под толщей вод

KM3Net строится не совсем с нуля. В настоящее время Средиземное море гостеприимно предоставляет свои глубины для проекта нейтринной астрономии ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch project) у берегов Тулона. Наряду с еще одним проектом NEMO (NEutrino Mediterranean Observatory), который фактически стал прототипом кубокилометрового телескопа, ANTARES войдет в гораздо более масштабный международный проект KM3Net.

Принцип работы нейтринного телескопа KM3NeT основан на том, что нейтрино при взаимодействии с веществом вызывает образование мюона, который, двигаясь в воде, порождает черенковское излучение. Именно это излучение могут регистрировать чувствительные оптические модули.

«KM3NeT — самый современный проект нейтринной астрономии, — говорит научный сотрудник отдела электромагнитных процессов и взаимодействий атомных ядер НИИ Ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ Евгений Широков. — В разработке этого проекта принимают участие 40 институтов десяти европейских стран, и ожидается, что он вступит в строй в 2016—2017 годах, после чего начнет регистрировать астрофизические нейтрино от далеких звезд, галактических ядер, сверхновых. Средиземноморский нейтринный телескоп представляет собой вертикальное сооружение. В него входит набор из 320 тросов длиной 900 м, которые будут зафиксированы на дне при помощи якорей. Для поддержания тросов в вертикальном положении их оснастят поплавками. Поперек тросов будут закреплены шестиметровые рамы с цифровыми оптическими модулями на концах. Планируется расположить 20 таких этажей из рам, разделенных расстоянием в 40 м. Нижний этаж будет находиться в ста метрах от дна моря. Толща воды сверху не менее 2 км защитит телескоп от солнечного света».

Цифровые оптические модули для KM3NeT — сферы из прозрачного пластика диаметром 43 см, защищающие хрупкую начинку от давления столба морской воды в несколько километров. В каждом цифровом оптическом модуле имеется 31 фотоумножитель, а также калибровочное оборудование: компас, датчики наклона для определения положения модуля в пространстве на глубине, гидроакустический пьезомикрофон для приема сигналов эхолота и определения координат модуля, и миниатюрный светодиодный маяк, который может зажигаться по сигналу для калибровки чувствительности соседних модулей. В каждой сфере имеется два электронных модуля, отвечающих за сбор сигналов каждый в своей полусфере. Собранная информация передается по оптоволоконному кабелю. Фотоумножители закреплены в двух трехмерных структурах, изготовленных методом 3D-печати: одна, в нижней полусфере, поддерживает 19 фотоумножителей и гидроакустический пьезомикрофон, вторая, в верхней, — 12 фотоумножителей и светодиодный маяк. Система охлаждения электроники смонтирована в верхней части сферы. Герметичность обеспечивается прокладками, и после сборки сфера дополнительно герметизируется с помощью специальной ленты.

Открыть второй глаз

Зачем нужен средиземноморский телескоп, если на Южном полюсе уже есть подобный инструмент? Дело в том, что все нейтринные детекторы подобного типа, будь то подземные или подводные, «смотрят» не вверх, а вниз — сквозь толщу планеты, которая выполняет роль «светофильтра», задерживающего все частицы, кроме нейтрино. Поэтому, как объясняет Евгений Широков, глядя на Южном полюсе вниз, видите нейтрино, приходящие из северной полусферы: «Антарктический инструмент IceCube видит только половину небесной сферы. Чтобы видеть вторую половину, которая включает большую часть Галактического диска, в том числе и центр нашей Галактики, нужен телескоп, расположенный в Северном полушарии планеты. Поэтому KM3NeT будет «дополнением» IceCube. С помощью этих двух телескопов можно создать глобальную нейтринную обсерваторию, которая будет регистрировать нейтринные события, в какой бы части небесной сферы они ни происходили. Впрочем, этот проект станет возможным лишь в 2018—2019 годах, а сначала необходимо создать кубокилометровый телескоп в Северном полушарии».

Российские ученые принимают активное участие в этом проекте. В НИИЯФ МГУ разрабатывали прототипы фотоумножителей для нейтринного телескопа NEMO, который был проектом Национального института ядерной физики Италии (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, INFN). Оптические модули, в конструкцию которых входят фотоумножители, теперь будут работать в составе детекторной конструкции KM3NeT. Таких модулей в KM3NeT будет более 5000, примерно такое же количество оптических модулей насчитывает крупнейшая на сегодняшний день нейтринная обсерватория — антарктическая IceCube. А в ANTARES, который станет составной частью KM3NeT, — всего 500 штук, так что масштаб увеличится в 10−12 раз.

Для установки датчиков подводного нейтринного телескопа был разработан специальный сферический контейнер, в который особым образом укладывался кабель с прикрепленными к нему оптическими модулями. Контейнер опускался на дно, а затем по акустическому сигналу освобождался от якоря и начинал всплывать, разворачивая кабель. Всплывший на поверхность контейнер подбирали для повторного использования.

Живой свет

Цифровые оптические модули, создаваемые для проекта KM3Net, имеют чрезвычайно высокую чувствительность. Именно поэтому нейтринные обсерватории располагаются на больших глубинах подо льдом, под землей или под водой, которые надежно экранируют детекторы от побочной засветки. «Но дело в том, что в морской воде даже на большой глубине — 3−3,5 км — живет множество существ, которые освещают свой путь в темноте, — объясняет Евгений Широков. — Попросту говоря, они светятся, и их свечение имеет значительно большую интенсивность, чем черенковское излучение, так что эта биолюминесценция создает засветку детекторов, существенно мешая работе телескопа. Поэтому в задачу нашей группы входило создание программы, которая могла бы отсеивать посторонний сигнал биологического происхождения из данных, которые мы получаем от телескопа. Этим занимался мой коллега Владимир Куликовский, который отрабатывал метод на детекторах телескопа ANTARES».

Евгений Широков, научный сотрудник отдела электромагнитных процессов и взаимодействий атомных ядер НИИ Ядерной физики им. Д.В.Скобельцына МГУ. «KM3NeT будет дополнять антарктический телескоп IceCube. С помощью этих двух телескопов можно создать глобальную нейтринную обсерваторию, которая будет наблюдать за нейтринными событиями во всей небесной сфере.»

Услышать нейтрино

«Мы сейчас начинаем заниматься весьма интересным, но малоизученным направлением — нейтринной гидроакустикой, — добавляет Евгений Широков. — Идея заключается в том, чтобы регистрировать нейтрино не с помощью света, а с помощью акустического сигнала, который возникает при взаимодействии нейтрино с веществом в воде. Этот метод может дать нам очень большие преимущества, потому что акустический сигнал распространяется очень далеко по сравнению с черенковским излучением, на основе которого работают сейчас все нейтринные детекторы. Акустический сигнал распространяется на многие километры, и если бы в будущем были созданы установки на базе нейтринной гидроакустики, то они могли бы иметь объем не в кубические километры, а в сотни кубических километров. Эффективность нейтринных наблюдений при этом возросла бы на порядки! Правда, это довольно сложная задача — пока не существует четкого понимания механизма, как частицы сверхвысоких энергий создают акустический сигнал определенной формы. Кроме того, инструменты для подобного массового применения пока очень дороги. Но мы уже работаем над этим».

Статья «Кубический километр науки» опубликована в журнале «Популярная механика» (№2, Февраль 2014).