Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

Поскольку космические ускорители не ограничены бюджетами на проведение международных научных исследований и соображениями, связанными с недвижимостью, а масштабы их деятельности определяются совсем другими параметрами, такими как размеры Земли или даже Солнечной системы, они создают энергию намного больше той, которую когда-либо смогут создать люди. На данный момент рекорд принадлежит так называемой частице Oh-My-God («О боже мой!»)¹⁹⁴, впервые выявленной в 1991 году детектором под названием «Глаз мухи» в пустыне штата Юта (кстати, этот инструмент изобрел Кеннет Грейзен). Эта единственная субъядерная частица была способна нанести удар такой же силы, что и бейсбольный мяч, летящий со скоростью 100 км в час, что в 300 000 раз превышает возможности БАК. Она могла представлять собой протон, тяжелый ион или даже нейтрино¹⁹⁵; однако точно это узнать невозможно, поскольку частица погибла при столкновении с атмосферой, дав рождение потоку из примерно 200 миллиардов вторичных частиц и продуктов распада¹⁹⁶.

Полтора километра льда над IceCube служат щитом от направленных вниз космических лучей; тем не менее некоторым из них все равно удается пробиться достаточно глубоко и достичь массива датчиков. На каждый интересный для ученых мюон, родившийся из устремленного вверх нейтрино, приходится около миллиона атмосферных мюонов, попадающих на детектор сверху. Одна из основных проблем этой технологии – разделение следов мюонов, направленных вверх и вниз. Как вы понимаете, выбирать направленные вверх иголки из направленного вниз стога сена – дело непростое.

Оболочковая конструкция Грейзена обычно представляет собой большую емкость, наполненную чистой и прозрачной жидкостью (как правило, водой) и полностью окруженную стенками из оптических детекторов, расположенных впритык друг к другу. Конструкция размещается на глубине более полутора километров, например в шахте. Предполагается, что детекторы должны выявлять лишь те мюоны, которые зарождаются внутри емкости, и для помощи этому Грейзен предложил, чтобы первичный детектор «был заключен в оболочку из сцинтиллирующего материала, что позволит различать явления, связанные с нейтрино, и явления, вызываемые мюонами». Иными словами, в конструкции имеется две оболочки: внутренняя, состоящая из первичных оптических детекторов, и внешняя, состоящая из сцинтилляторов и использующаяся для исключения или «вето» атмосферных и других мюонов, рожденных за пределами детектора. Поскольку эти частицы будут проходить сквозь инструмент, они активизируют сцинтилляторы при входе и выходе, в то время как мюоны, рожденные внутри емкости, будут создавать сигнал только на выходе.

Любой мюон, родившийся в емкости (или проходящий сквозь нее), активирует при выходе кольцо первичных детекторов на внешних стенках: сначала один детектор, а потом и другие, расположенные по кругу рядом с ним. Направление движения мюона может быть определено по форме возникающего кольца: если мюон проходит через детекторы под углом, то форма будет ближе к овальной, а не круглой.

Разрешение оболочковой конструкции ограничено 20–30 градусами— этого достаточно лишь для того, чтобы отличить левое направление от правого и движение вверх от движения вниз; а пудинговая конструкция (используемая в IceCube) способна работать с точностью до половины градуса, что примерно равно величине углового расхождения лучей при полнолунии. Джон Лёрнд, возглавивший через 20 лет проект DUMAND – первую попытку превратить эти мечты в реальность, отмечает, что

Грейзен так никогда и ничего не сделал в этом направлении. А Рейнес со своей командой с самого начала перехватил инициативу и начал активно работать с идеей в Штатах.

В своей обзорной статье, написанной в 1960 году, Рейнес обсуждал вопросы выявления «нейтрино, возникших за пределами Земли (космических) и в земной атмосфере (из-за воздействия космических лучей)»¹⁹⁷. Однако он был более консервативен, чем Грейзен и Марков. Возможно, это было связано с последствиями его прежней неудачной попытки выявить рукотворные нейтрино: он предпочел проигнорировать первый вариант, а второй назвал «наиболее серьезным». Тем не менее он начал уже в 1963 году посещать шахты в поисках места для размещения инструмента Грейзена и задумывался об использовании инструмента Маркова в океанских водах как минимум с 1966 года¹⁹⁸.