Журнал «Вокруг Света» №10 за 2005 год

В исследованиях, проводимых с помощью отечественного нейтринного телескопа НТ-200, расположенного около южного берега Байкала, немалую позитивную роль сыграл лед, причем не как оптическая среда для наблюдений, а как стабильная рабочая площадка, с которой удобно монтировать и заменять оборудование. Место для телескопа было выбрано в 3,6 км от берега на глубине 1,1 км. Зимой во льду вырубали полынью, через которую поднимали и опускали «гирлянды» с оптическими модулями. Работы на Байкале начали с 1980 года, и сейчас они проводятся прежде всего силами физиков МГУ, Института ядерных исследований, Иркутского университета и немецкими учеными из Цойтена (DESY, Общество Гельмгольца). В настоящее время установлены 8 струн со 192 оптическими модулями, которые связаны с берегом тремя кабелями. Эффективный объем детектора (около 200 000 м3) еще недостаточен для регистрации редких нейтринных событий, но уже разработаны планы его стократного увеличения. В 1996 году НТ-200 первым из телескопов, использующих природные среды в качестве детектора, зарегистрировал ряд нейтринных событий, хотя они и не относились к внеземным объектам. «Морские» и «озерные» нейтринные телескопы пока не дали астрофизических результатов, но оказались вполне пригодными для изучения, например, мюонных потоков космических лучей и атмосферных нейтрино. Отметим также, что описанные проекты расположены в Северном полушарии и через «фильтр» земного шара будут смотреть на южное звездное небо.

Сквозь венецианское стекло

Интересы астрофизиков-экспериментаторов сегодня сместились от «подводной» ловли нейтрино к ловле «подледной». Идею «ледяного детектора» стали всерьез разрабатывать только в 90-х годах. Местом проведения экспериментальных работ по проекту AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) выбрали 3-километровый ледяной панцирь Антарктиды вблизи Южного полюса на американской полярной станции «Амундсен—Скотт», где прежде всего проверили опасения насчет оптических свойств ледяной среды. Лед просверлили до глубины 800—1 000 м. Худшие ожидания подтвердились: вмерзшие в лед воздушные пузырьки оказались в 50 раз больше по размеру, чем ожидали, к тому же они были повсюду. Это обстоятельство создавало такое рассеяние света, что ни о какой приемлемой дистанции передачи светового импульса не могло быть и речи. Однако проект AMANDA-I не прекратили и решили изучить ситуацию на более глубоких ледяных горизонтах – от 1 500 до 2 000 м. Упорство исследователей было сполна вознаграждено: ниже 1 400 м лед был, как венецианское стекло, – без единого пузырька. Вместо характерной ожидаемой дистанции для распространения голубого света черенковского излучения около 8 м свет проникал на 100 м. Прозрачность льда и степень рассеяния на этих горизонтах во много раз перекрывали необходимый набор характеристик оптической среды для успешной работы детектора.

На стадии AMANDA-II, начатой в 1996 году, на глубину более 2 000 м было просверлено с помощью струй горячей (80°С) воды 19 вертикальных шахт диаметром 0,5 м. Эти шахты не замерзали в течение 35 часов (горячая вода продолжала в них циркулировать), и за это время нужно было успеть опустить туда струны из стальных тросов, в нижней части которых на специальных карабинных креплениях (схожих с альпинистскими) были закреплены устойчивые к давлению оптические модули размерами примерно с баскетбольный мяч. Каждый оптический модуль включал ФЭУ (фотоэлектрические умножители) и необходимую электронику – по существу мини-компьютер. Всего было использовано 677 оптических модулей, в среднем около 36 на одну струну. Детекторы перекрывали цилиндр с поперечником 200 м и высотой 500, начиная с глубины 1,5 км. Всю эту конструкцию можно сравнить с новогодней елкой, увешанной гирляндами лампочек. Правда, оптические модули не испускают, а принимают свет.

Проект AMANDA показал полную работоспособность ледяного нейтринного телескопа. Стабильность вмороженной в лед конструкции, постоянство ледовой среды (в Антарктике практически нет землетрясений), передача информации по оптоволоконным кабелям вполне отвечали задачам эксперимента. Также вполне успешной оказалась идея сориентировать световые приемники в сторону центра Земли и регистрировать отфильтрованный земным шаром поток нейтрино из северного небесного полушария. При этом эффективный объем детектора по сравнению с геометрическим объемом, занятым 677 оптическими модулями (примерно в 15 млн. м3 ), следует увеличить пропорционально возможному пробегу высокоэнергетических мю-мезонов, достигающих чувствительного объема. В массе льда и подстилающих скальных породах он может доходить до десятков километров. Однако даже эти мюоны высоких энергий не способны пронзать земной шар диаметром более 12 000 км. Поэтому все мюоны, приходящие из северной части небосвода, должны быть дочерними продуктами ядерных реакций мюонных нейтрино и давать сведения о том направлении, откуда они прилетели.

Недостающая частица