Два больших эксперимента на Байкале

БНТ на фоне других проектов

О проектах в Тункинской долине и Байкальском нейтринном телескопе были прочитаны лекции, докладывали о своем вкладе молодые ученые, после школы организована экскурсия для лекторского состава на полигон. Интервью с лектором школы Баиром Шайбоновым (ОИЯИ) посвящено особенностям Байкальского нейтринного телескопа.

- Почему нужна плотная среда, чтобы регистрировать нейтрино? И в чем преимущества и недостатки сред экспериментов IceCube в антарктических льдах, Antares на Средиземном море и Байкальского нейтринного телескопа?

- Нужна плотная среда, потому что нейтрино слабо взаимодействует, и очень редко происходят нужные события. Нейтрино в основном взаимодействует с ядрами. Чем больше ядер, тем больше нейтринных взаимодействий. Можно в воздухе сделать эксперимент, но какой объем нужен, чтобы получить то же самое, что в плотной среде!

Эффективный объем воды, чтобы регистрировать нейтрино высоких энергий из космоса, должен быть порядка кубического километра. Проект БНТ продвигается к этому значению, IceCube уже достиг его в 2011 году. IceCube находится во льду, на глубине 1,5-2,5 км. Лед там слоистый, он образовывался почти миллион лет назад, когда извергались вулканы. Слои чистого льда перемежаются с грязными, как пирог. Среда очень неоднородная, необходимо это учитывать в анализе данных. Тем более что все сдвинуто, с разными наклонами. Этот лед к тому же еще плывет, и IceCube сдвигается вместе с ним. Но все движется поступательно, опасности нет.

Технология там применялась интересная - бурение горячей водой. На самолетах завозят на Южный полюс солярку, греют воду и пробуривают скважины. В целях экономии организован водяной внутренний цикл. В общем, работает целый завод по растопке льда. Бурят скважину, опускают в нее гирлянды и заливают свежую воду. Эта вода другая по составу - еще одна граница сред, которую надо хорошо знать. К тому же пузыри воздуха, которые туда попадают, создают еще одну искусственную неоднородность.

По сравнению со Средиземным морем у нас на Байкале пресная вода, поэтому мы можем ставить, например, якорь из черного железа, и он 20 лет будет целым и невредимым. На эксперименте Antares, где соленая морская вода, даже нержавейка не стоит, там делают титановые корпуса, цена установки значительно возрастает. Кроме того, в любой морской воде есть радиоактивные соли от калия-40, который испускает фотоны. Представляете - вы хотите регистрировать фотоны от элементарных частиц, а у вас сама вода излучает свет, и довольно сильно, гораздо больше, чем наше озеро. У нас тоже есть фон, от хемилюминисценции - гниющей органики. Но это однофотонная засветка, ее легче отделить как фон. Калий-40 дает вспышку, что вызывает высокоамплитудный сигнал, с которым бороться сложнее. Кроме того, в Средиземном море есть биолюминисценция - вода теплая, много живых организмов, они тоже светят.

Есть, конечно, и недостатки. Чем больше глубина, тем меньше фона от атмосферных мюонов из космических лучей. У нас глубина 1366 метров, в то время как в Средиземном море 3500, а в Антарктиде около 2500 метров. Поэтому они могут себе позволить ставить гирлянды длиной 1 км, а у нас максимум 500 м, иначе выйдем на уровни, куда проникает солнечный свет, что непозволительно для эксперимента.

- Как происходит регистрация взаимодействия?

- Чтобы отсечь атмосферные мюоны, самый эффективный способ - смотреть события, которые идут как бы "из-под Земли", потому что через Землю проникает только нейтрино (и гравитационные волны). Нейтрино взаимодействует в грунте, под установкой, дает вторичную частицу, например мюон, и он проходит через детектор снизу вверх. При этом он с хорошей точностью сохраняет направление первичного нейтрино, что очень важно для астрономии, мы же хотим знать, от какого объекта Вселенной пришло это нейтрино. Если нейтрино провзаимодействовало над установкой, и трек прошел сверху вниз, то этот мюон невозможно выделить из потока атмосферных мюонов, которые превышают поток нейтрино в миллион раз. Таким образом, Земля является и фильтром, и мишенью в наших экспериментах, отсекает ненужные фоновые события.

Другие физики могут возразить, что такие нейтрино, пришедшие сверху, в потоке космических лучей, так называемые события HESE, можно выделять, но нужны соответствующие условия, более сложный анализ.

- БНТ строится, по планам, до 2020 года до полукилометрового, а после 2025 до 1 куб. км. IceCube и БНТ будут конкурентами, или станут дополнять друг друга, когда будут сравнимы по размерам?

- Конечно, будут дополнять друг друга. IceCube находится в Южном полушарии, мы в Северном, причем БНТ самый северный телескоп из всех существующих. Поэтому мы вместе перекрываем звездное небо. IceCube более чувствительный к северному небу, мы смотрим в другую часть неба, в Южное полушарие. Там и Магеллановы облака, и основная масса галактики, и Млечный путь; больше объектов, и в этом наше преимущество.

Для наших исследований есть два диапазона энергий - "тэвный" и выше 100 ТэВ. Здесь немаловажно знать, что чем выше энергия нейтрино, тем больше оно взаимодействует с веществом. Поэтому на каком-то этапе Земля становится непрозрачной для нейтрино, это происходит на уровне 100 ТэВ. Поэтому из-под земли нейтрино можно не ждать, и все переворачивается с ног на голову. IceCube в этом диапазоне будет смотреть только свое небо, а до 100 ТэВ будет видеть Северное полушарие. И аналогично для БНТ.

- Можно ли сравнить стоимость установок?

- У нас получается гораздо дешевле. Мы строим кубокилометр, как IceCube, а по финансам он обходится примерно как Antares. Основные затраты - это оптические модули. За счет того, что сборка идет на Байкальском льду, развертывание установки более экономичное. В Средиземном море для Antares нанимают специальный корабль, оборудованный для научных целей подводными роботами, которые могут соединять кабели прямо на дне. Это очень дорогое удовольствие. И кабели у них очень длинные, 40-70 км, для прокладки нанимаются специальные компании. БНТ расположен в 3,6 км от берега. Поэтому электрический кабель сравнительно небольшой.

- Зимой, понятно, ведется установка новых кластеров. А сейчас на месте БНТ просто водная гладь?

- Да, сейчас там под водой стоит телескоп, уже довольно большой. К нему подается электричество по подводным линиям, все время идет набор данных.

- Сейчас говорят о трех установленных кластерах. Сколько в каждом фотоумножителей?

- 288. Будет всего 8-9 кластеров к 2020-2021 году. И всего порядка 2300-2600 оптических модулей. Меньше чем у IceCube, у них 5600, но мы уже будем сравнимы. Antares в Средиземном море в 100 раз меньше - маленькая установка, всего 12 гирлянд, существует с 2006 года и до сих пор не видит космические нейтрино. А если мы проанализируем наши, уже собранные, данные, возможно, увидим. Набор данных на БНТ идет с 2016 года, уже есть 2,5 года более-менее качественной статистики. Нужно ее обработать, проанализировать. У нас такая область, где важен анализ, это большая составляющая работы, в отличие от других экспериментов, где основную долю затрат составляет детектор. Нам нужно для этого много специалистов, зрелых экспериментаторов. Это огромные массивы данных, сотни терабайт, для их обработки используются суперкомпьютеры. Но самое главное - анализ, его нужно создать, разработать. Я собственно за этим и приехал на школу - заинтересовать молодых ученых участием в нашем проекте.

- Мы сейчас находимся на биостанции, и возникает вопрос - нельзя ли БНТ использовать для мониторинга Байкала?

- Телескоп является очень хорошим детектором для мониторинга Байкала, потому что мы видим свечение озера. Соответственно видим слои, которые медленно перемещаются сквозь установку, наши гирлянды в это время качаются на волнах. В принципе, наш детектор - структура с подводным Интернетом и с электричеством, куда другие ученые могут устанавливать свою аппаратуру. И это уже происходит. Приезжали специалисты из Швейцарии, которые изучают озера, ставили температурные датчики, датчики скорости движения воды. Мы относимся к объектам инфраструктуры коллективного пользования, готовы к сотрудничеству и даже приглашали ученых из лимнологического института в Иркутске, чтобы они изучали наши данные, но никто пока не берется за это.