Опубликованы первые результаты байкальского нейтринного эксперимента Baikal-GVD по поиску нейтрино астрофизической природы
В опубликованной статье коллаборация Baikal-GVD представила результаты измерения диффузного нейтринного потока космического происхождения. Были проанализированы данные за последние четыре года. Всего было выделено 25 событий-кандидатов на нейтрино астрофизической природы. Их число и распределение по энергии близки к ожидаемым от диффузного потока, зарегистрированного в эксперименте IceCube. Научная значимость этого результата заключается в том, что подтверждается существование космических нейтрино и что параметры нейтринного потока двух разных экспериментов совпадают в пределах статистических и систематических неопределенностей.
Нейтринный телескоп Baikal-GVD – воплощение идеи выдающегося советского физика академика Моисея Александровича Маркова, высказанной им в 1960 году. Он предложил регистрировать нейтрино, “неуловимые” частицы, в больших объемах воды естественных резервуаров, где на определенном расстоянии друг от друга будут расположены детекторы света – фотоумножители.
Нейтрино – уникальная элементарная частица без заряда и с очень малой массой. Чтобы произошло взаимодействие с другой частицей, нужны особые условия: нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом. Где-то в космическом пространстве происходят процессы с гигантским выделением энергии, рождаются нейтрино, летят сквозь Вселенную и ни с чем не взаимодействуют. Когда физики регистрируют нейтрино на Земле, они могут определить направление, откуда прилетела частица, энергию, которая была в месте ее рождения, и тип нейтрино: электронное, мюонное или тау-нейтрино.
Нейтринные телескопы в естественных средах активно используются сегодня для регистрации и исследования потоков нейтрино сверхвысоких энергий от астрофизических источников. Полученные данные дают физикам возможность изучать космические процессы с огромным выделением энергии, особенности эволюции галактик и формирования сверхмассивных черных дыр, а также механизмы ускорения частиц.
В 1980 году в Институте ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН) была образована Лаборатория нейтринной астрофизики высоких энергий под руководством члена-корреспондента РАН Григория Владимировича Домогацкого. Ее целью было создание нейтринного телескопа в водах озера Байкал и проведение на нем физических исследований. Сегодня совместно с учеными из ИЯИ РАН в исследованиях на Байкале активно принимают участие физики из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна), Иркутского государственного университета (ИГУ) и ряда других отечественных и зарубежных научных организаций.
За прошедшие 40 лет в мире было создано несколько нейтринных телескопов. Это были телескопы первого поколения: НТ-200 на озере Байкал, AMANDA на Южном полюсе (преемник проекта 1976 года DUMAND) и ANTARES в Средиземном море. Эти установки позволили разработать и реализовать методику регистрации нейтрино в естественных средах и подойти вплотную к созданию телескопов кубокилометрового масштаба.
В Северном полушарии сейчас реализуются два проекта по строительству нейтринных телескопов: Baikal-GVD на Байкале (3000 оптических модулей) и KM3NeT/ARCA в Средиземном море (378 оптических модулей).
Байкальский нейтринный телескоп – уникальная научная установка, расположенная в 3,6 км от берега на глубине около 1300 м. Baikal-GVD эффективный инструмент многоканальной астрономии для решения задач нейтринной астрофизики. Установка состоит из 10 кластеров, в каждом кластере по 8 вертикальных гирлянд, на каждой гирлянде 36 модулей. Оптическая система регистрирует черенковское излучение мюонов и каскадов заряженных частиц высоких энергий, рожденных в нейтринных взаимодействиях.
В 2011 году на Южном полюсе был запущен детектор IceCube. В толще льда на глубине более двух тысяч метров было размещено около пяти тысяч оптических модулей с чувствительными фотоумножителями внутри.
В 2013 году IceCube впервые объявил о том, что обнаружил существование суммарного потока нейтрино космического происхождения от многих источников – так называемого диффузного потока. Однако такой значимый для развития нейтринной астрономии и астрофизики результат должен был быть подтвержден другими экспериментами. Это и стало первоочередной задачей нейтринных телескопов в Северном полушарии Baikal-GVD и KM3NeT/ARCA.
«Обнаружение природного потока нейтрино высоких энергий астрофизического происхождения в эксперименте антарктическим детектором IceCube теперь подтверждено результатами, полученными в Северном полушарии нейтринным телескопом Baikal-GVD. Совместная работа этих двух детекторов дает возможность вести поиск источников нейтрино высоких энергий на всей небесной сфере и служит началом процесса построения карты нейтринного неба», – отметил член-корреспондент РАН, заведующий Лабораторией нейтринной астрофизики высоких энергий Института ядерных исследований РАН, руководитель коллаборации Baikal-GVD Григорий Владимирович Домогацкий.
Работы по развертыванию нейтринного телескопа продолжаются. Каждый год с середины февраля по середину апреля на Байкале проходят экспедиции, в ходе которых устанавливаются новые кластеры. В 2023 году ученые планируют добавить к десяти кластерам еще два. Ожидается, что к 2027 году Baikal-GVD достигнет объема в один кубический километр, сравнявшись с IceCube, а в далеком будущем – в десять кубических километров.
«Открытие и измерение потока внеземных нейтрино высоких энергий экспериментами на Южном полюсе и озере Байкал, которые проводятся в разных полушариях, в разных условиях и показывают близкий результат, дают нам уверенность в том, что совместная работа этих установок позволит изучать космические источники нейтрино по всей небесной сфере и откроет эпоху построения карты звездного неба в нейтрино», – считает лидер команды физиков Baikal-GVD в ОИЯИ и руководитель работ по развертыванию нейтринного телескопа в зимней экспедиции, научный сотрудник Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова Объединенного института ядерных исследований Игорь Анатольевич Белолаптиков.
Нейтрино является одним из четырех сигналов в рамках нового направления — многоканальной астрономии, наряду с гравитационными волнами, космическими лучами и электромагнитным излучением. Обнаружение и анализ сигналов из разных каналов позволяет получить более полную картину физических процессов, происходивших в далеком астрофизическом источнике.
“Оба сигнала — гамма-кванты и нейтрино высоких энергий – несут информацию о механизмах рождения и ускорения частиц в источнике. Гамма-кванты могут рождаться как в чисто электромагнитных процессах с участием заряженных лептонов, в основном электронов и позитронов, так и в адронных взаимодействиях. Поэтому их регистрация говорит о сумме вкладов лептонных и адронных механизмов. Разделить эти вклады используя только гамма-астрономию затруднительно. Однако высокоэнергичные нейтрино в подавляющем числе случаев рождаются в распадах адронов, поэтому регистрация нейтринного сигнала указывает в основном на адронный механизм ускорения частиц в источнике. Совместный анализ данных телескопов, регистрирующих гамма-кванты и нейтрино, позволяет определить вклады лептонного и адронного механизмов по отдельности. Более того, регистрация нейтрино от космического источника однозначно указывает на то, что в этом источнике ускоряются космические лучи, тем самым отвечая на один из основных вопросов естествознания – о происхождении космических лучей высоких энергий”, – добавляет старший научный сотрудник ЛЯП ОИЯИ, к. ф.-м. н. Баир Шайбонов.
Схема нейтринного телескопа Baikal-GVD | Коллаборация Baikal-GVD
Фото Баира Шайбонова
Фото Баира Шайбонова
Фото Баира Шайбонова
