Нейтринный телескоп

Нейтринный телескоп — это научный прибор, предназначенный для регистрации нейтрино — элементарных частиц с чрезвычайно малой массой и отсутствием электрического заряда, которые крайне слабо взаимодействуют с веществом. В отличие от оптических или радиотелескопов, нейтринные телескопы не собирают фотоны, а регистрируют продукты редких взаимодействий нейтрино с веществом детектора. Основная цель таких телескопов — изучение астрофизических объектов (Солнца, сверхновых, активных ядер галактик, гамма-всплесков) и поиск источников космических нейтрино высоких энергий, а также исследование свойств самих частиц.

Принцип действия

Нейтрино обладают ничтожным сечением взаимодействия с веществом — для того, чтобы нейтрино средней энергии с вероятностью 50 % прореагировало с атомным ядром, требуется слой свинца толщиной около 100 световых лет. Поэтому для регистрации нейтрино используются большие объёмы прозрачной среды (вода, лёд, жидкий сцинтиллятор), в которых нейтрино при взаимодействии порождают заряженные частицы (например, мюоны). Эти частицы движутся быстрее скорости света в данной среде и излучают черенковское излучение — слабый голубоватый свет. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ), расположенные в толще среды, улавливают этот свет и позволяют восстановить направление и энергию исходного нейтрино.

Регистрируемые типы нейтрино

Нейтринные телескопы различают несколько типов нейтрино в зависимости от их происхождения и энергии:

• Атмосферные нейтрино — образуются при взаимодействии космических лучей с атомами верхних слоёв атмосферы. Составляют основной фон для астрофизических измерений.
• Солнечные нейтрино — рождаются в термоядерных реакциях в недрах Солнца. Их регистрация подтвердила модель звёздного нуклеосинтеза и привела к открытию нейтринных осцилляций.
• Астрофизические нейтрино — приходят от внегалактических источников, таких как активные ядра галактик, гамма-всплески, сверхновые. Их энергии достигают петаэлектронвольт (ПэВ) и выше.
• Геонейтрино — рождаются в результате радиоактивного распада элементов в недрах Земли, используются для изучения состава и теплового баланса планеты.

Классификация

Нейтринные телескопы классифицируются по среде детектора и по методу регистрации.

По среде детектора

• Водные детекторы — используют большие объёмы воды (морской, озёрной или очищенной). Примеры: Байкальский нейтринный телескоп (озеро Байкал), ANTARES (Средиземное море), KM3NeT (Средиземное море).
• Ледяные детекторы — используют толщу полярного льда. Единственный крупный действующий проект — IceCube на станции Амундсен-Скотт (Южный полюс).
• Сцинтилляционные детекторы — используют жидкие или твёрдые сцинтилляторы, которые светятся при прохождении заряженных частиц. Примеры: Borexino (Италия), KamLAND (Япония), JUNO (Китай, строится).

По методу регистрации

• Черенковские детекторы — регистрируют черенковское излучение от заряженных частиц. Наиболее распространённый тип для высокоэнергетичных нейтрино.
• Радиоантенны — улавливают радиоизлучение, возникающее при взаимодействии нейтрино сверхвысоких энергий с веществом (эффект Аскарьяна). Используются в проектах ANITA, ARA, ARIANNA.
• Акустические детекторы — регистрируют звуковые волны, порождаемые каскадом частиц. Находятся на стадии экспериментальной проверки.

История

Первые предложения по созданию нейтринных телескопов появились в 1960-х годах. В 1965 году в шахте в Южной Африке был запущен детектор, который зарегистрировал первые атмосферные нейтрино. В 1987 году детекторы Kamiokande (Япония) и IMB (США) зафиксировали нейтринную вспышку от сверхновой SN 1987A — первое в истории наблюдение нейтрино от взрыва звезды.

Крупным прорывом стало создание Байкальского нейтринного телескопа (НТ-200, 1998 год) — первого глубоководного черенковского детектора в мире. В 2010 году вступил в строй IceCube, который в 2013 году впервые зарегистрировал астрофизические нейтрино высоких энергий.

Крупнейшие проекты

IceCube

IceCube — крупнейший нейтринный телескоп в мире, расположенный на глубине от 1450 до 2450 метров во льду Антарктиды. Объём детектора — около 1 кубического километра. Состоит из 5160 фотоэлектронных умножителей, закреплённых на 86 вертикальных нитях. Введён в эксплуатацию в 2010 году. В 2013 году IceCube впервые зарегистрировал 28 событий с энергиями от 30 ТэВ до 2 ПэВ, подтвердив существование внегалактических нейтринных источников. В 2022 году телескоп обнаружил нейтрино от активного ядра галактики TXS 0506+056.

Байкальский нейтринный телескоп

Байкальский нейтринный телескоп (Baikal-GVD) — российский глубоководный нейтринный телескоп, расположенный в озере Байкал на глубине около 1 километра. Строительство начато в 2015 году, в 2021 году достигнут объём около 0,5 кубического километра. Планируется расширение до 1–2 км³. Телескоп регистрирует нейтрино с энергиями от 1 ТэВ до 10 ПэВ. В 2023 году Baikal-GVD зафиксировал первые кандидаты в астрофизические нейтрино.

KM3NeT

KM3NeT — европейский проект, состоящий из двух детекторов в Средиземном море: ORCA (у берегов Франции, для изучения свойств нейтрино) и ARCA (у берегов Италии, для астрофизических исследований). Строительство начато в 2015 году, к 2025 году планируется завершить первую фазу. Объём детектора ARCA составит около 1 км³.

Другие проекты

• ANTARES — первый глубоководный нейтринный телескоп в Средиземном море, работал с 2008 по 2022 год. Объём — около 0,03 км³.
• Super-Kamiokande — японский водный черенковский детектор, расположенный в шахте. Регистрирует солнечные и атмосферные нейтрино, а также нейтрино от сверхновых. Объём — 50 000 тонн воды.
• Borexino — итальянский сцинтилляционный детектор, работавший с 2007 по 2021 год. Провёл прецизионные измерения спектра солнечных нейтрино.
• JUNO — китайский сцинтилляционный детектор, строительство завершается в 2024 году. Будет измерять нейтрино от реакторов, Солнца и сверхновых.

Научные результаты

Нейтринные телескопы внесли значительный вклад в физику и астрофизику:

• Подтверждение нейтринных осцилляций — эксперименты Super-Kamiokande и SNO (Канада) доказали, что нейтрино имеют массу и могут превращаться друг в друга.
• Регистрация нейтрино от сверхновых — SN 1987A дала первое прямое наблюдение нейтринного излучения при взрыве звезды.
• Открытие астрофизических нейтрино высоких энергий — IceCube в 2013 году обнаружил внегалактические нейтрино, что открыло новое окно в астрономию.
• Изучение геонейтрино — Borexino и KamLAND измерили поток нейтрино от радиоактивного распада в недрах Земли, уточнив модели теплового баланса планеты.
• Поиск тёмной материи — нейтринные телескопы используются для поиска сигналов от аннигиляции или распада частиц тёмной материи.

Технические вызовы

Создание нейтринных телескопов сопряжено с рядом сложностей:

• Огромные размеры — для регистрации редких взаимодействий требуются объёмы в кубические километры.
• Глубокое размещение — детекторы необходимо располагать на глубине более 1 км, чтобы защитить их от фона космических лучей.
• Высокая стоимость — строительство и обслуживание таких установок требует миллиардов долларов.
• Калибровка и шумы — необходимо точно калибровать тысячи ФЭУ и подавлять фоновые сигналы от радиоактивности и биолюминесценции.

Перспективы

В ближайшие десятилетия планируется расширение существующих телескопов (Baikal-GVD, KM3NeT) и создание новых:

• IceCube-Gen2 — проект увеличения объёма IceCube до 10 км³, добавление радиоантенн для регистрации нейтрино сверхвысоких энергий.
• GRAND — гигантский радиоантенный массив (планируемая площадь — 200 000 км²) для регистрации нейтрино с энергиями выше 10 ПэВ.
• P-ONE — проект нейтринного телескопа в Тихом океане у берегов Канады.

Развитие нейтринной астрономии позволит изучать самые энергичные процессы во Вселенной, недоступные для электромагнитных и гравитационных волн.

Источники

• IceCube Collaboration. Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector // Science, 2013.
• Baikal-GVD Collaboration. First results from the Baikal-GVD neutrino telescope // Journal of Physics: Conference Series, 2021.
• KM3NeT Collaboration. KM3NeT 2.0 — Letter of Intent for a cubic-kilometre-scale Mediterranean neutrino telescope // Journal of Physics G, 2016.
• Super-Kamiokande Collaboration. Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos // Physical Review Letters, 1998.
• Borexino Collaboration. Comprehensive measurement of pp-chain solar neutrinos // Nature, 2018.
• А. Е. Чудаков. Нейтринные телескопы: история и перспективы // Успехи физических наук, 2019.