Триває робота зі створення трьох підводних обсерваторій з детекторами нейтрино. Те, що здається дуже складним і ризикованим проєктом, має принести вагомі результати.
Здавна астрономія використовувала світло для вивчення небесних об’єктів. Але фотони — не єдині частинки, які досягають Землі. Нейтрино також є потужним інструментом для вивчення Всесвіту, особливо його «глибоких» районів, бо вони майже не взаємодіють з речовиною й тому приходять до нас з віддалених куточків космосу.
Вони крихітні, майже безмасові й присутні абсолютно скрізь — наприклад, вони постійно виникають у процесі ядерного синтезу в ядрі Сонця. Якщо ви піднімете руку, близько 60 мільярдів нейтрино щосекунди буде проходити через ніготь великого пальця, як дрібні привиди.
Але це, на думку астрофізиків, не найцікавіший вид нейтрино. Замість цього вони хочуть вивчати надшвидкі, наденергетичні нейтрино, які прийшли з далекого далека. І їх виявляється неймовірно важко зареєструвати. Ось чому вчені хочуть побудувати нейтринний телескоп на глибині понад двох кілометрів під поверхнею Тихого океану.
«Нейтринні телескопи — це диво технології», — сказала керівник проєкту Еліза Ресконі (Elisa Resconi), астрофізик з Технічного університету Мюнхена, Німеччина.
«У нейтринному телескопі ми вимірюємо найменше можливе світло з найкоротшою синхронізацією, яку тільки можна уявити, з використанням найнижчого енергоспоживання і отримуємо максимальну кількість даних. Все це з віддаленого на Землі місця.»
Вона каже, що прототип телескопа під назвою Pacific Ocean Neutrino Experiment, або P-ONE, буде створено до кінця наступного року.
Конструкція нейтринного телескопа Тихого океану (P-ONE), зокрема вигляд семи сегментів, оптимізованих для енергій вище 50 ТеВ (ліворуч), і конструкція окремого сегмента (праворуч). Фото з сайту https://cosmosmagazine.com.
Отже, ось план: неподалік від узбережжя Британської Колумбії на північному сході Тихого океану буде занурено глибоко в темряву струни завдовжки сімдесят один кілометр. Струни, кожна усіяна чутливими детекторами світла, будуть прикріплені до поплавків, щоб вони стояли вертикально, як морські водорості. Детектори на цих струнах реєструватимуть спалахи випромінювання, які трапляються, коли майже безмасові субатомні частинки взаємодіють у воді.
Зокрема, телескоп буде реєструвати нейтрино високих енергій, що прибули з віддалених частин Всесвіту й були утворені під час екзотичних подій, таких як наднові, спалахи гамма-променів або взаємодії зір.
«З нейтрино, — каже Ресконі, — ми можемо вивчати процеси та райони, що затемнені для випромінювання, — ми зможемо спостерігати за межами будь-якої щільної хмари чи акреційного диска».
Використовуючи цих посланців зір, астрофізики можуть досліджувати такі місця, як центр нашої галактики Молочний Шлях, що оповитий пилом, або шукати натяки на утворення космічних променів чи навіть темну матерію.
«І, звісно, ми також можемо відкрити те, чого сьогодні не можемо собі уявити», — додає Ресконі. «Ми розуміємо лише дуже малу частину Всесвіту».
Єдиний телескоп, який зараз достатньо чутливий, щоб виявити такі високоенергетичні нейтрино, — це нейтринная обсерваторія IceCube. Він працює в Антарктиді з 2011 року, коли детектори вмонтували в об’ємі кубічного кілометра чистого льоду.
IceCube виявив уперше астрофізичні нейтрино високої енергії і навіть знайшов докази того, що деякі з цих частинок походять з блазарів — одного із типів галактик, що мають активне ядро з надмасивною чорною дірою. Але в цілому він помітив лише кілька астрофізичних нейтрино.
«Хоча цей прогрес вражає, — каже Ресконі, — він також показує, що з телескопом розміром лише близько одного кубічного кілометра кількість нейтрино, зібраних із космосу, все ще занадто обмежена, щоб просуватися цим багатообіцяючим та невичерпним шляхом фундаментальних відкриттів у астро- та фізиці елементарних частинок.»
Лабораторія IceCube на станції Амундсена-Скотта біля Південного полюса в Антарктиді. Фото з сайту https://cosmosmagazine.com.
Завдяки 1400 детекторам, що покривають три кубічних кілометри, у P-ONE будуть максимальні шанси виявити ці дуже потужні частинки. Оскільки він більший за IceCube, науковці сподіваються за його допомогою виявити більш рідкісні та високоенергетичніші події.
Це не перша і не єдина спроба побудувати нейтринний телескоп у воді. Насправді, будують також й інші, зокрема нейтринний телескоп кубічний кілометр (Cubic Kilometre Neutrino Telescope, KM3NeT) у Середземному морі та Байкальський глибоководний нейтринний телескоп (Baikal Deep Underwater Neutrino Telescope, Baikal-GVD) у вкритому льодом озері в Сибіру.
За словами Кленсі Джеймса (Clancy James), астронома, учасника колаборації KM3NeT, що більше обсерваторій шукають нейтрино, то краще.
«Нейтринная астрономія все ще перебуває в зародковому стані», — пояснює Джеймс, який працює в Інституті радіоастрономії Кертіна у Вашингтоні. «Що більше науковців намагатиметься виявити ці невловимі частинки, то більше нових ідей, кращих інженерних рішень і статистичних можливостей ми матимемо для їх розуміння».
Чому варто обрати океан?
Звісно, щосекунди через ніготь вашого великого пальця проходить 60 мільярдів нейтрино, але вони рідко з чимось взаємодіють. Протягом усього вашого життя лише одне нейтрино прореагує з вашим тілом.
За словами Джеймса, щоб побачити нейтрино, потрібен «великий об’єм оптично прозорого матеріалу в дуже темному місці — тому головно і океан, і антарктичний лід підходять для цього добре».
Місце має бути темним, бо детектори реєструють спалахи черенковського випромінювання: світло, яке нейтрино виробляють під час взаємодії з молекулою води або льоду. За таким спалахом детектори можуть точно простежити шлях цього нейтрино, щоб з’ясувати, звідки воно прийшло, скільки у нього енергії і навіть як воно могло утворитися.
Але, каже Джеймс, є деякі основні відмінності, коли йдеться про створення детектора у воді та льоду.
«Наприклад, вода менше розсіює світло, а це означає, що ви можете отримати більш точне уявлення про те, звідки надходять нейтрино, але вона більше поглинає світло, тому у вас буде менше світла для роботи», — зауважив він.
P-ONE має ще одну досить велику перевагу перед льодом: він буде використовувати існуючу океанографічну інфраструктуру біля берегів острова Ванкувер. Океанська мережа Канади (Oceans Networks Canada, ONC), створена та керована Університетом Вікторії, є найбільшою на Землі.
Ресконі пояснює, що інфраструктура складається з 800-кілометрової петлі волоконно-оптичного кабелю на глибині 2,6 кілометра під поверхнею. Її вже підєднано до берега для подачі електроенергії та даних до й від приладів на морському дні. Вона додала, що жодні інші проєкти зі створення телескопів у воді не мають такої інфраструктури, що призводить до набагато більших накладних витрат вже на початку реалізації проєкту.
Мапа обсерваторії NEPTUNE ONC. P-ONE буде встановлено у вузлі в басейні Каскадії (Cascadia Basin) на глибині 2660 метрів. Фото з сайту https://cosmosmagazine.com.
«Я вважаю, що ми визначили нові ідеальні умови для нейтринного телескопа». Але глибокий океан має свої проблеми. «Течія, звісно, є проблемою, бо змушує рухатися кілометрові струни з детекторами», — зазначила Ресконі. Побудувати такі довгі ланцюги було б дорого і логістично складно, тому рішення полягає в тому, щоб дозволити їм вільно дрейфувати, але ретельно стежити за ними.
«Ми вирішуємо цю проблему [шляхом] модифікації буїв зверху та встановлення оптичної системи моніторингу, яка постійно визначатиме, де містяться модулі відносно один одного», — сказала вона. «За допомогою цих двох методів, ми віримо, нам вдасться контролювати геометрію телескопа на рівні 10—20 см».
Ця точність потрібна, бо астрономи хочуть відновити шлях нейтрино назад до його астрофізичного джерела — і якщо ви не знаєте, де міститься ваш детектор, це не дасть змоги зробити цю екстраполяцію.
Джеймс пояснює, як відбувається встановлення KM3NeT: «Ви згортаєте кожен ланцюг з детекторами в клубок, навантажуєте його бетоном і скидаєте з корабля — лише в дуже тиху погоду! Він досягає місця на дні з точністю плюс-мінус кілька метрів.
«Потім посилається акустичний сигнал, який розмикає кріплення такого клубка. Плавучість детекторів (скляні сфери, що містять оптичні датчики, змонтовані у вакуумних оболонках) змушує ланцюг розплутуватися вгору. Далі основи ланцюгів з детекторами через підводний безпілотний роботизований кабель підключають до силових та електронних ліній і підводного концентратора».
Розгортання блоків детекторів KM3NeT показано в цьому відео:
Розташування, розташування, розташування
За словами Ресконі, розміщення в Тихому океані також буде корисним для нейтринних астрономів. «Небо нейтрино, яке ми можемо досліджувати з північно-східної частини Тихого океану, буде доповненням до нейтринного неба, покритого IceCube», — сказала вона. «Нейтринний телескоп дивиться крізь Землю, тому спостереження виконуються на небі протилежній півкулі».
Це пов’язано з тим, що нейтрино майже ні з чим не взаємодіють, тому вони єдині відомі частинки, які проникають крізь Землю. «IceCube стежить за північним небом, а нейтринний телескоп на півночі буде вивчати південне небо», — зауважила Ресконі. Це гарна новина, бо небо південної півкулі — найкраще місце, щоб побачити центр нашої галактики та вивчити його потенційні джерела нейтрино.
KM3NeT і GVD також будують у північній півкулі. Хоча дані, які отримуватимуть науковці за допомогою цих детекторів, будуть схожими на дані від P-ONE, телескопи не становлять прямої конкуренції.
«Два або три телескопи в різних місцях, таких як Сибір, Європа і Тихий океан, також забезпечуватимуть постійне спостереження неба протягом дня, щоб можна було зареєструвати також швидкі перехідні процеси нейтрино», — пояснила Ресконі.
Джеймс каже, що дані P-ONE можуть допомогти команді KM3NeT досягти однієї з їхніх головних наукових цілей: відкрити джерела космічних променів у нашій галактиці.
«Космічні промені — це частинки високої енергії, які бомбардують Землю з космосу, з енергіями, що в десять мільйонів разів більше, ніж можна отримати на Землі на Великому адронному коллайдері», — зазначив він. «Але ми не знаємо, звідки вони беруться». Ці нейтрино могли утворитися у процесі зіткнення речовини, викинутої у космічний простір під час спалахів наднових, з міжзоряним газом.
«Проблема, — каже Джеймс, — полягає в тому, що ці нейтрино взаємодіють дуже рідко, і виявити їх із відносно слабких джерел у нашій галактиці буде набагато складніше, ніж виявити їх із надмасивних чорних дір, які викидають величезні струмені газу в більш віддалених галактиках. Тому використання даних із P-ONE разом із даними KM3NeT та GVD буде великим плюсом».
Уявлення художника про підводний масив детекторів нейтрино нейтринного телескопа розміром з кубічний кілометр (KM3NeT). Фото з сайту https://cosmosmagazine.com.
Отже, що буде далі?
«Команда» P-ONE зараз входить у фазу створення прототипу, який складатиметься з трьох ланцюгів детекторів із запропонованих 70.
«Етап прототипу дуже цікавий: спільнота має багатий досвід від створення IceCube та KM3NeT», — сказала Ресконі. «Технології занали також суттєвого розвитку. Ми визначили хороших партнерів у промисловості, і ми також з нетерпінням чекаємо на співпрацю з океанологами в дослідженні океану, що змінюється».
Наступним етапом буде масове виробництво. Найкращий сценарій — мати телескоп, еквівалентний IceCube до кінця десятиліття, а потім, можливо, розширити його. І немає максимального розміру для детектора нейтрино в океані — розмір обмежений лише фінансуванням. «Ми прагнемо стати великими, і у нас є доступна інфраструктура», — підсумувала Ресконі.
За інф. з сайту https://cosmosmagazine.com
