В декабре минувшего года Объединенный институт ядерных исследований (Дубна) заключил с нашим Политехом договор на разработку опытного образца ледопланировочной машины. Ее будут использовать для строящегося подводного нейтринного телескопа Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector). Машина, которой занимаются дзержинские разработчики, предназначена для срезания торосов и подготовки трассы к прокладке подводных кабелей. Торос – это нагромождение обломков льда, достигающее на Байкале высоты 1-1,5 м.

Baikal-GVD наращивает мощности и готов конкурировать с самым крупным инструментом изучения нейтрино на сегодняшний день – американским детектором Ice Cube в Антарктиде. Ice Cube достигает в объеме кубического километра. Наша байкальская установка скоро будет такой же большой. Результаты, полученные с подобных крупных нейтринных телескопов, откроют новую эру в нейтринной астрономии и позволят нам узнать гораздо больше о развитии Вселенной.

Нейтрино, что ты такое?

Нейтрино открыли меньше 100 лет назад. Это сверхлегкие элементарные частицы, у которых нет электрического заряда. Они так слабо взаимодействуют с веществом, что проходят сквозь толстые слои любой материи. В каждый момент времени природный поток нейтрино проходит прямо через Землю и через нас, но мы этого не чувствуем.

Нейтрино появляются в ядерных реакциях. Мощный источник этих частиц – звезды, в том числе Солнце. Нейтрино образуются в окрестностях черных дыр, при взрыве сверхновых звезд. Ясно, что они способны многое нам «рассказать» о развитии Вселенной, – из-за слабого взаимодействия с веществом нейтрино доходят до Земли, почти не изменяя свои характеристики. Ученые получили бы информацию о тех областях Вселенной, где частицы родились, – возможно, об очень отдаленных уголках. И даже об очень отдаленных моментах времени. Считается, что во Вселенной есть реликтовые нейтрино, которые образовались после Большого взрыва.

Нейтрино помогли бы нам больше узнать не только о Вселенной, но и о нашем доме. Частицы образуются также в распаде радиоактивных элементов внутри Земли, а значит, их исследование позволит лучше изучить состав родной планеты.

Но для начала их надо «поймать».

«Поймать» нейтрино

Идею нейтринных телескопов предложил в 1960 году советский академик Моисей Марков. По его задумке, «увидеть» нейтрино можно посредством регистрации черенковского излучения. Заряженная частица, которая в прозрачной среде (в воде или во льду) движется быстрее, чем в этой же среде распространяется свет, испускает фотоны – частицы света. Это и есть эффект Вавилова – Черенкова. Сами по себе нейтрино не заряжены, но когда они сталкиваются с атомами, то рождаются заряженные частицы – электроны или моюны. И вот уже они дают черенковское излучение, которое можно зафиксировать фотодетекторами.

Среда эксперимента должна быть достаточно плотной, наполненной атомами, чтобы «необщительным» нейтрино все-таки было с чем сталкиваться. А еще наблюдениям черенковского излучения не должен мешать обычный свет.

Первые нейтринные телескопы строили в горах. Там в пещерах и штольнях находили природные водоемы или ставили ванны. Свет на достаточной глубине рассеивался, и в прозрачной чистой воде ученым удалось наконец «поймать» загадочную частицу. В Приэльбрусье до сих пор работает Баксанская нейтринная обсерватория, которую запустили в 1973 году.

Однако в работе выяснилось, что природный поток нейтрино обладает низкой интенсивностью и столкновения с атомами происходят реже, чем хотелось бы. Чтобы получать больше информации и ускорить работу по исследованию тайн Вселенной, установки должны занимать гораздо больший объем. В горах реализовать такое затруднительно. И для строительства телескопа помощнее в 1980-х годах предложили использовать Байкал.

Байкальский нейтринный телескоп

Многие знают, что прекрасный Байкал – самое глубокое озеро на планете, крупнейший резервуар пресной воды и популярный туристический объект. С этим не поспоришь, но надо уточнить, что ценность озера для нас даже выше, – это к тому же полигон важнейших астрофизических исследований.

В 1993 году здесь начали строить первый в мире нейтринный телескоп НТ-200. Для этого основали международную коллаборацию «Байкал», в которую вошли Институт ядерных исследований РАН, несколько вузов, НИИ и партнеры из Германии. В числе коллаборантов – Горьковский политехнический институт (сейчас – Нижегородский государственный технический университет).

Озеро подходило для работы идеально: прозрачная вода, достаточная глубина (более 1 км), постоянная температура воды на дне, которая позволяет бесперебойно работать аппаратуре (3-4 градуса). Строительство НТ-200 полностью завершилось в 1998 году, но первые нейтрино с его помощью зарегистрировали еще в 1994-м.

Нейтринная установка не похожа на телескоп в общепринятом понимании. Это система «гирлянд» – тросов с закрепленными на них фотодетекторами, которые выглядят как шары из стекла с электроникой внутри. Оптических элементов было около 200, поэтому телескоп и назвали НТ-200. Сверху у них буи, которые обеспечивают плавучесть, а внизу – грузы, которые вытягивают конструкцию вертикально. От каждой «гирлянды» нужен кабель к береговому командному центру, куда поступают данные.

Разместить все это под водой – сложная инженерная задача. И решалась она при участии группы инженеров-механиков Горьковского политехнического института.

Добраться до дна

На Байкале постоянные ветра и волнение. Первую попытку разместить «гирлянды» предприняли с помощью судна. Из этого ничего не вышло: судно не обеспечивало четкую координацию. И тогда работать решили зимой со льда. С февраля по апрель на Байкале образуется устойчивый ледяной покров с толщиной порядка метра. Появляется очень хорошее опорное основание, как на земле. Можно размещать всю технику, спокойно чертить и бурить.

«Место, которое выбрали под установку, имеет глубину около полутора километров, а от берега удалено почти на пять. Нужно было проложить кабель по дну, и все это требовалось делать со льда, где множество торосов, в том числе подводных. Кабель при этом должен укладываться так, чтобы плотно огибать рельеф дна. Провис или путаница – и кабель быстро выйдет из строя», – рассказывает профессор Дзержинского политехнического института Виктор Кулепов. В 1980-е, когда НТ-200 только проектировался, он работал старшим научным сотрудником Горьковского политехнического института и возглавлял научно-исследовательскую лабораторию по разработке льда и снега.

«С одной стороны, лед – надежное основание для размещения техники, с другой – он препятствует монтажу подводных объектов. Нужно уничтожить торосы, обеспечить ровную поверхность для прокладки кабелей. Нужно распилить и расчистить майну для каждой новой «гирлянды». Почему для этого просто не купить, например, снегоуборочную технику? Потому что, как оказалось, действительно подходящей техники нигде не было в наличии. Ситуация достаточно уникальна: где еще есть необходимость в работе с таким льдом? И мы создали для НТ-200 комплекс специальных машин и механизмов», – говорит Виктор Кулепов.

Американцы для регистрации нейтрино используют в качестве среды лед, и свою установку Ice Cube построили в Антарктиде. Но технология у них другая. Они вмораживают фотодиоды в лед: крепкий лед там стоит постоянно, исследователям не требуется каждый год на километры заново расчищать и уравнивать поверхность. А нам нужен свой подход, простыми бурами и щеточными снегоочистителями здесь не обойдешься.

Наращивая мощность

НТ-200 был телескопом первого поколения, прототипом, который подтвердил состоятельность идеи. В 2000 году началось строительство НТ-1000, а в 2011-м приступили к проекту Baikal-GVD объемом в один кубокилометр. По проекту, он состоит из 10 кластеров, в каждом из которых по 288 фотодетекторов. Таким образом, в конечном итоге оптических элементов в телескопе будет уже 2880. Сейчас запущено пять кластеров (http://www.jinr.ru/posts/press-reliz-2019-proekta-baikal-gvd/).

За годы работы техника, которую когда-то проектировали инженеры из Нижнего Новгорода, заметно износилась и устарела. А каждая следующая «гирлянда» – это новый пятикилометровый кабель по дну. Коллеги из Института ядерных исследований РАН решили снова привлечь нижегородских ученых. Поскольку Виктор Кулепов теперь работает в Дзержинском политехническом институте, группа по разработке техники для монтажа телескопа будет сосредоточена в Дзержинске.

«Мы вообще-то и не разрывали с ними связь. Мои коллеги регулярно ездят в зимние экспедиции на Байкал. В этом учебном году даже хотим отправить туда студентов, – говорит Виктор Кулепов. – В этом же году начнем работать над созданием новой машины. Первый договор – на проектную работу – уже заключен и подписан. Проектные работы, скорее всего, будут закончены в конце 2020 года. Потом мы начнем эту машину изготавливать и, вероятно, используем потенциал промышленных предприятий города или области».

Политех – не единственная организация из Дзержинска, которая принимала участие в судьбе Байкальского нейтринного телескопа. Фотодетектор – стеклянный шар с электроникой – состоит из двух половин. На первых установках их скрепляли между собой сверхпрочным герметиком, который разработали в Дзержинском НИИ полимеров им. Каргина.

Можно сказать, что у Байкальского нейтринного телескопа есть некоторое преимущество перед американским «коллегой» Ice Cube: лед не вода, он не полностью прозрачен, поэтому вода как среда больше подходит для работы. Но исследователи с Северного полушария не видят небо в Южном полушарии – и наоборот. Поэтому все масштабные установки по поиску нейтрино – наш Baikal-GVD, Ice Cube, строящийся в Средиземном море у берегов Франции и Италии KM3NeT – образуют Глобальную нейтринную обсерваторию и дополняют друг друга.

Наталья ЕГОРОВА.