Ловец неуловимых: Подводный детектор нейтрино
Детектор Antares стал плодом сотрудничества полутора сотен ученых из Франции, других стран Европы и из России. Задача его — улавливать нейтрино, очень легкие элементарные частицы, сложность работы с которыми состоит в том, что они крайне «неохотно» взаимодействуют с обычной материей. К примеру, чтобы остановить свободно летящий низкоэнергетический нейтрино, понадобится экран, включающий слой воды толщиной около 100 световых лет. Сквозь наш организм каждую секунду пробегает около 1014 таких частиц, испускаемых Солнцем, — без всякого влияния на нас. Не оказывают на них никакого эффекта и магнитные поля, так что нейтрино путешествуют далеко по всей Вселенной практически по идеально прямым траекториям.
В этой связи нейтрино можно рассматривать, как источник уникальной информации о происходящем в далеком космосе. Они могут стать невероятно ценными «посланцами», способными рассказать о многом новом — если только удастся их каким-то образом остановить. Именно с этой целью ученые и создали детектор Antares, именно поэтому он имеет довольно внушительные размеры, создавая как можно более эффективный экран для прилетающих из космоса нейтрино.
Работа над этим уникальным проектом началась еще в 1996 г., а первая линия детекторов была установлена ровно 10 лет спустя. Уже этот элемент имеет 400 м в высоту и расположен на глубине 2,5 км в море близ побережья французского Тулона. В сумме Antares включает 12 таких линий, покрывающих площадь, примерно вчетверо превышающую футбольное поле. Они включают в себя 900 оптических модулей — «глаз» телескопа.
Именно морские воды прекрасно укрывают сверхчувствительные «глаза» инструмента от шумового эффекта космических лучей. На такой глубине царит полная темнота, лишь изредка нарушаемая слабым свечением местных живых организмов, некоторые из которые способны к биолюминесценции. В итоге для Antares вся наша планета становится своего рода улавливателем нейтрино: «тело» нашей планеты останавливает практически все приходящие из космоса частицы, но практически все количество падающих на нее нейтрино пролетает сквозь всю толщу.
Однако изредка отдельные «счастливые» нейтрино все-таки взаимодействуют с атомами материи, случайно соударяясь с ядром атомов. Такое происходит очень редко, но когда происходит, в результате этой аварии образуется мюон — неустойчивая заряженная элементарная частица, по свойствам напоминающая электрон и летящая в том же направлении, что и погибший в столкновении нейтрино. Эти же мюоны, пропутешествовав сквозь земной шар, попадают в толщу воды, и здесь они оставляют за собой мельчайшие светящиеся «хвосты» — и именно их смогут замечать сверхчувствительные детекторы Antares. Так и выходит, что в работе этого инструмента принимает участие вся наша планета, причем наблюдение идет за нейтрино, прилетающими с южной небесной полусферы — и именно там лучше всего виден центр нашей галактики, весьма интересное местечко.
Antares станет незаменимым помощником в «астрономии высоких энергий», изучающей космические катаклизмы, источники весьма высоко энергетических частиц. Сюда относятся и взрывы сверхновых, и гамма-вспышки, и активные центры галактик, где бесчинствуют сверхмассивные черные дыры. Именно в недрах таких «катастрофических» объектов тяжелые частицы набирают достаточно энергии, излучая ее избыток в виде высокоэнергетических фотонов, которые и порождают высокоэнергетические нейтрино. Так что, двигаясь по этой цепочке в обратном направлении, физики смогут, изучая мюоны, понять свойства нейтрино — а с ними и узнать новое о далеких космических катаклизмах.
Другая форма нейтрино — низкоэнергетические нейтрино — тоже может улавливаться детектором Antares, и позволит изучить порождающие их скопления темной материи, которые, как считается, существуют в центре и Млечного пути, и нашего Солнца. (Стоит сказать, что работать с такими нейтрино может и еще один существующий детектор, скрытый не под водой, а под горами — читайте о нем в заметке «Детектор номер один».) Дело в том, что, по мнению ряда ученых, эта самая загадочная темная материя, совершенно недоступная прямому наблюдению и проявляющая себя только в гравитационных взаимодействиях, состоит из очень тяжелых элементарных частиц — вимпов. Существует гипотеза о том, что вимпы должны накапливаться в центрах очень тяжелых объектов, в том числе Солнца и нашей галактики. Однако, собираясь здесь, они то и дело аннигилируют, порождая мощные выбросы энергии и частиц, включая и низкоэнергетические нейтрино.
О других современных сверхчувствительных детекторах читайте: «Темная сторона Вселенной».
По публикации Science Daily