Baikalo kosmoso akis

Baikalo kosmoso akis

"Pasaulio mokslo" № 5, 2008

Pagal pokalbį su Gregory Domogatsky įrašytas specialus korespondentas "Pasaulyje mokslo" Vasilijus Янчилин.


Norėdami sužinoti, kur visame pasaulyje vyksta neįtikėtini procesai, mokslininkai atidžiai ištyrė Sibiro ežero gelmes.


1920-aisiais. nustatyta, kad kai kurių radioaktyviųjų skilimo procesų metu energijos išsaugojimo įstatymas nėra įvykdytas. Praėjus dešimčiai metų šveicarų fizikas Volfgangas Pauli pasiūlė, kad trūkstamą energiją pasiimtų nežinojanti neutrali dalelė, kuri turi didelę skvarbą, vėliau vadinama neutrinu.

Pauli manė, kad jis padarė kažką nepagrįsto teoriniam fizikui: jis teigė, kad egzistuoja hipotetinis objektas, kurio niekas negalėjo rasti, netgi su savo draugu astronomu Walteru Baadeu ginčydamas, kad eksperimentiniu būdu niekada nebus registruojamas neutrino. Pauli pasisekė, jis neteko argumento: 1956 m. Amerikiečiai, fizikai C. Cowan ir F. Reines "sugaužė" silpną dalelę.

Ką naudoja neutrinino teleskopas? Kodėl verta daryti neįtikėtinas pastangas, kad sugautų neskaidrių dalelių, jei įprasta elektromagnetine banga pateiks didžiulę informaciją apie Žemę?

Visi dangaus kūnai nėra skaidrūs elektromagnetinei spinduliuotei, o jei mokslininkai nori pažvelgti į saulės gelmes, žemę, galaktikos šerdį (čia vyksta įdomiausi procesai), tai gali padėti tik neutrinai.

Didžioji dauguma tokių dalelių ateina pas mus iš saulės, kur jie gimsta per termodulkinę vandenilio transformaciją į helią, taigi ir visi XX a. Neutrininiai teleskopai. buvo sutelktos į mūsų šviesos studiją. Buvo baigtas pirmasis saulės neutrinų tyrimo etapas. Pirmieji žingsniai jau buvo atlikti, norint ištirti dalelių srautą ir spektrą, kurie ateina į mus iš Žemės žarnų, kur jie gimsta, kai išnyksta uranas, toris ir kiti radioaktyvūs elementai. Šių procesų būdinga energija yra šimtai tūkstančių ir milijonų elektronų voltų vienoje dalelėje.


1994 m. Buvo užfiksuotas pirmasis pasaulyje povandeninis neutrinas.


1960 m. Sovietinis teorinis fizikas, akademikas M. A. Markovas pasiūlė naudoti natūralius vandens telkinius, kad sugautų neskaidrias daleles. Visa mūsų planetos medžiaga yra milžiniškas detektorius neutrinų registravimui. Atvykstantys į mus iš kosmoso, kai kurie iš jų sąveikauja su atskirais Žemės atomais, perduoda joms dalį savo energijos, taip pat vertingos informacijos apie procesus, vykstančius įvairiose Visatos dalyse.Reikia tik tai "pamatyti", o lengviausias būdas tai padaryti yra stebėti didelius vandenyno vandens kiekius.

1970 m Amerikos, sovietų ir japonų fizikai, astronomai, inžinieriai ir okeanografai įvertino potencialiai tinkamas vietas vandenynų sluoksnyje, išmoko įrengti giliavandenių įrenginių ir išbandyti įvairių tipų optinius imtuvus. Dėl daugelio metų tyrimų buvo pasirinkta optimali vieta – Ramiojo vandenyno regionas netoli Havajų salų, kurio gylis viršija 5 km. Projektas buvo pavadintas DUMAND (Gilus povandeninis muonas ir neutrino detektorius, giliavandenis miuonų detektorius ir neutrinai).

Mokslo įrangos panardinimas į vandenyną buvo pradėtas 1981 m. Pavasarį. Tačiau pasirodė, kad tūkstančius optinių imtuvų mažinti daugeliui kilometrų gylio, išlaikyti juos tvarkingai ir tuo pačiu metu priimti ir apdoroti iš jų gaunamus signalus. Deja, dėl techninių priežasčių projektas niekada nebuvo įgyvendintas.

Tačiau 1990-aisiais. Mokslininkai vis dar matė pėdsaką didelės energijos neskaidrių dalelių, kurias jie paliko po kilometru vandens. Šis įvykis įvyko ne Ramiojo vandenyno viduryje, bet Sibire, pietinėje Irkutsko srities.

1946 mBruno Pontecorvo pasiūlė pirmąjį teleskopo projektą saules neutrinoms įrašyti. Tuo metu keletas žmonių tikėjo, kad jį būtų galima įgyvendinti praktikoje, nes norint "sugauti" bent vieną dalelę detektoriaus masė turėtų būti dešimtys tonų.

Neutrinė astrofizika pradeda augti Sibire

1970 m. Pabaigoje. Sovietų mokslininkas, akademikas, fizikos ir matematikos mokslų daktaras A. E. Chuudakovas pasiūlė Baikalo ežerą nustatyti neutrinui. Kaip paaiškėjo, šis unikalus natūralus gėlo vandens rezervuaras yra optimaliai tinka šiam uždaviniui. Pirma, dėl jo gylio, kuris viršija 1 km; antra, dėl gryniausio vandens, kuris yra apie 22 m, skaidrumas; trečia, dėl to, kad dideliu gyliu per metus temperatūra išlieka pastovi – 3,4 ° C; o svarbiausia, žiemą ežeras yra padengtas storu ledo sluoksniu, iš kurio labai patogu mažinti mokslinę įrangą po vandeniu.

Teleskopo konstrukcija prasidėjo 1990 m., O 1994 m. Buvo užfiksuotas pirmasis povandeninis neutrinas pasaulyje. Šiandien šiame tarptautiniame projekte dalyvauja Rusijos mokslų akademijos Branduolinių tyrimų instituto mokslininkai,Maskvos valstybinis universitetas, Maskvos valstybinis universitetas, Maskvos valstybinis universitetas, Jungtinis branduolinių tyrimų institutas, Sankt Peterburgo valstybinis jūrų technikos universitetas, Žemutinis Naugardo technikos universitetas, Rusijos tyrimų centras "Курчатовский institutas", Akustinis institutas. A. Andreev, Vokietijos elektroninis sinchrotrono tyrimų centras (DESY). Projektą vadovauja Grigorijus Vladimirovichas Domogatskis, Rusijos mokslų akademijos instituto, fizikos ir matematikos mokslų daktaras, aukštosios energetikos neuritaninės astrofizikos laboratorijos vadovas.

"Neutrino" teleskopo pagrindą sudaro specialiai sukurti fotomultipliuotojai, dedami į stiklo sritis, kurios atlaiko slėgį virš 100 atm. Jie sumontuoti poromis ant krovinio transportavimo kabelio, specialiai sukurto šiam eksperimentui, ir nuleisti į vandenį per ledo skylę. Kabelio ilgis viršija kilometrą. Iš apačios jis tvirtinamas sunkiųjų inkarų pagalba, o plūdurai (milžiniški "plūduriai") traukia jį aukštyn. Todėl visa ši "girlianda" užima griežtai vertikalią padėtį, o viršutiniai plūdurai yra 20 m gylyje.Fotomultipliuentų veikimas sinchronizuojamas su lazerio šviesos šaltinio pagalba, kuri tam tikrais laiko tarpais "uždega" Baikalo vandenį detektoriaus viduje. Toks periodinis impulsinis apšvietimas atlieka tam tikrą "laiko žymos" vaidmenį analizuojant informaciją, gautą iš fotomultipliuojančiųjų. Be to, 600 m atstumu nuo detektoriaus centro apačioje yra sureguliuojami akustiniai jutikliai, kurie per visą garso erdvę mato garso bangas ir užregistruoja menkiausius fotomultiplius svyravimus.

Statyba yra modulinė; pridedant naujas girliandas prie esamų, galite padidinti detektoriaus darbo apimtį. Iki šiol veikia 11 girliandų, o efektyvioji detektoriaus masė yra apie 20 Mt. Iki 2012 m. Planuojama jį padidinti iki 300 Mt, o 2016 m. Teleskopas turėtų pasiekti savo projektinius pajėgumus net iki 1 Gt, kuris atitinka 1 km3. Taigi praėjusio šimtmečio projektas tampa realybe.

Giliavandenio šviesos šaltinio panardinimas, pagrįstas dujų lazeriu ir dviem detektorių valdymo elektronikos moduliais. Vaizdas "Mokslo pasaulyje"

Mes sugautame neutriną

Kaip atsiranda neutrinų registracija? Pirma, dalelė gali reaguoti su medžiaga, esančia viduje, kurioje yra festoonai (pvz., Tokio įvykio tikimybė yra labai maža). Antra, jis gali sąveikauti su tam tikro atomo, esančio kelių kilometrų spinduliu nuo jutiklio (po vandeniu arba žemėje esančiu įrenginiu), branduolio ir generuoti didelės energijos muoną, kuris paskui skrenda šalia girliandų. Šiuo atveju efektyvus detektoriaus tūris padidėja dešimt kartų, tačiau iškilo problema: kaip atskirti neutrino miuonus nuo atmosferos, susidarančios veikiant kosminėms spindulioms?

Kai kosminiai spinduliai pasiekia Žemę, jie sąveikauja su atominiuose branduoliuose, esančiuose viršutinėje atmosferoje. Tuo pat metu gimsta vadinamųjų antrinių kosminių spindulių, daugiausia nestabilių elementariųjų dalelių, lietus. Visi jie greitai sulaužomi, išskyrus miuonus, kurie turi didelę įsiskverbimo jėgą, gyvena 1 μs, o per tą laiką jie sugeba skristi keliais kilometrais nuo žemės storio, trukdydami požeminių laboratorijų darbui.

Iš pirmo žvilgsnio tai atrodo keista, nesjudant šviesos greičiui, vieno milijono sekundės miuonas gali skristi ne daugiau kaip 300 m. Tačiau faktas yra tas, kad dideliu greičiu įsigalioja specialiosios reliatyvumo teorijos įstatymai. Muonas gyvena už 1 μs ir plaukia 300 m savo paties pamato korteliu, o laboratoriniame rėmuje jis gali gyventi keletą mikrosekundžių ir skristi keliais kilometrais. Stebint tokias nestabilias daleles kilometro gylyje yra tiesioginis reliatyvizmo laiko pasiskirstymo patvirtinimas, bet miuonas negali nuskristi dešimtys kilometrų uolų. Todėl yra patikimas būdas atskirti neutrino miuonus nuo atmosferos.

Fotomagnetofonai, kurių darbas sinchronizuojamas lazeriu, užregistruokite joms kylančią šviesą. Tada kompiuteris atgauna gautą informaciją, todėl atkuriama dalelių, kurios sukūrė šią šviesą, takelius. Trajektorijos, kurios eina iš viršaus į apačią ar net horizontaliai, yra atmestos. Atsižvelgiama tik į minionus, kilusius iš horizonto. Yra tik vienas iš šių procesų paaiškinimų: didelio energijos neutrinų, skrendančių per Žemę, sąveikauja su branduoliu atomo, esančio kelių kilometrų atstumu nuo detektoriaus, ir gimsta didelės energijos miuonas.Tai tas, kuris pasiekia jutiklį ir, judėdamas vandeniu, reliatyviai greičiui, išmeta Čerenkovo ​​fotonus. Pastebėję pastebėjimai, iš apačios atvykstantys apie 2 milijonai miuonų yra tik vienas iš jų iš apačios.

Giluminio neutrino teleskopo bendra schema

Detektorius NT-200. 36 papildomi akumuliatoriai trijose girliandose. Vaizdas: "Pasaulyje mokslo" Didėjant aptiktų dalelių energijai, efektyvus detektoriaus tūris padidėja. Vaizdas: "Pasaulyje mokslo"

Kas iš jūsų iš gilios erdvės?

Visam Baikalo teleskopo veikimo laikotarpiui buvo užfiksuoti apie 400 įvykių, kuriuos generuoja didelio energijos neutrinai, tačiau beveik visi jie yra atmosferos. Atsižvelgiant į tai, reikėjo atskirti nuo įvykių įvairovės tuos, kurie priklauso neutrinams, kurie atvyko iš gilios erdvės, nes jie yra didžiausio mokslinio intereso.

Prieš pusę amžiaus atmosferos neutrinų registravimas giliose Indijos kasyklose buvo neįtikėtinas mokslo laimėjimas, tačiau povandeniniame jutiklyje jie yra fonas, trukdantis stebėti. Atmosferos neutrinai, kurių gausa sukurta kosminių spindulių viršutinėje atmosferoje,nešioti informaciją tik apie kosminius spindulius, ir mokslininkai nori sužinoti apie neutrininius šaltinius, esančius už Saulės sistemos ribų.


"Neutrino" teleskopo pagrindą sudaro fotomultiplius, dedamus į stiklo sritis, kurios atlaiko daugiau nei 100 atmosferų slėgį.


Muonas juda beveik toje pačioje kryptyje (viename laipsnyje) kaip didelio energijos neutriino, kuris jį sukūrė. Trajektorijos nustatymas detektoriaus viduje yra 1-2 laipsnio paklaida. Kaip rezultatas, teleskopas nustato vietą dangaus sferoje, iš kurios nuvyko neutrinas, bendra klaida apie 3 °. Atmosferos neutrinai atvyksta į mus vidutiniškai vienodai iš visų pusių, bet kažkur Visatoje turi būti vietinių kosminių neutrinų šaltinių. Tai gali būti kvazarai, aktyvūs galaktikos branduoliai, didžiuliu greičiu sparčiai plečiantys viršnovaus kriaukles. Paslaptingi gama spinduliai taip pat gali būti panašūs šaltiniai.

Viena iš pagrindinių Baikalo teleskopo užduočių yra izoliuoti kosminius neutrininius šaltinius iš fono, nustatyti jų buvimo vietą danguje, o tada bandyti juos identifikuoti optiniais objektais, kuriuos galima tirti naudojant įprastus teleskopus.

Norėdami išspręsti šią problemą, turite užregistruoti pakankamai didelį neutrinų skaičių ir nustatyti taškus dangaus sferoje, iš kur jie atėjo. Tose vietovėse, kuriose yra objektai, aktyviai skleidžiantys neutrinus, lokaliai padidės šių dalelių srautas, lyginant su fone.

Kol kas niekas nežino, kokia yra tokių šaltinių galia ir tankis. Šioje sąskaitoje yra tik hipotezės ir prielaidos. Tai daro Baikalo teleskopą įdomu, nes jis gali pateikti eksperimentinį atsakymą į tokius klausimus.

Kelių kilometrų atstumu nuo įrenginio (vandenyje arba žemėje po žeme) didelio energijos neutrinai sąveikauja su atominiu branduoliu ir generuoja miuoną, kuris tada užfiksuojamas detektoriumi. Vaizdas "Mokslo pasaulyje"

Difuzinis neutrinino srautas

Stiprūs ir silpni vietiniai aukšto energijos kosminių neutrinų šaltiniai, esantys skirtingais atstumais nuo mūsų, turėtų generuoti vadinamąjį difuzinių dalelių srautą. Neaišku, koks yra jo tankis, ir neaišku, kaip jį teoriškai apskaičiuoti. Eksperimentinis dydžio difuzinio srauto nustatymas taip pat yra vienas iš pagrindinių Baikalo teleskopo užduočių.

Iš pirmo žvilgsnio tai gali pasirodyti neįmanoma. Kaip pasirinkti silpną dalelių signalą, kuris vienodai atvyksta į mus iš visų taško dangaus sferos ir stiprus atmosferos neutrinų fonas? Ar tikrai toks signalas?

Iš kažkur tolimiausiuose Visatos kampuose pasiekiami ultravioletinių energijos kosminiai spinduliai. Akivaizdu, kad jie nėra gimę visiškai tuščioje erdvėje: jų šaltiniai yra tam tikros aplinkos. Ryšium su savo atomais, didelio energijos kosminiai spinduliai generuoja superhigh neutrino. Tada dalelės skleisti visoje erdvėje, įskaitant judėjimą į Žemę.

Aukščiausios energijos kosminiai spinduliai sąveikauja su reliktiniais fotonais ir negali pasiekti Žemės, taupydami energiją. Tai gali padaryti tik neutrinai. Todėl, jei protonai ateina pas mus su 10 energijos19 eV, tuomet neutrinai gali skraidyti dar daugiau energijos, bet su tuo, kas būdinga, vis dar nežinoma.

Norint išspręsti šią problemą su povandeniniu detektoriumi, būtina išmatuoti visų į Žemę nukritusių neutrinų srauto dydį, priklausomai nuo jų energijos.Jei tai yra tūkstančiai ir milijonai GeV, ten ten vyraus atmosferos neutrinai. Esant didelėms energijoms, jų skaičius smarkiai sumažės, nes jie generuojami kosminių spindulių, kurių intensyvumas sparčiai mažėja didėjant energijai, tenkantis nuliui esant energijoms, viršijančioms 1019. Todėl atmosferos neutrinų srautas nukris iki nulio.

Žinomi kosminių spindulių parametrai, todėl galima apskaičiuoti jiems sukurtų atmosferinių neutrinų spektrą. Lyginant jį su dalelių spektru, pastebėtu naudojant Baikalo teleskopą, galima nustatyti jų skirtumą, kuris apibūdins kosminio difuzinio neutrininio srauto vertę. Šiuo metu neutrinų spektrinė sudėtis iki energijos 1014 eV Tai beveik visiškai sutampa su atmosferine, todėl išsklaidytas kosminis fonas šiame diapazone yra nereikšmingas. Toliau didinant energiją (ir tai bus įmanoma, kai detektoriaus tūris kelis kartus padidės), atmosferinių neutrinų srautas turėtų tapti daug mažesnis už išsklaidytą kosminį foną. Bet su kokia energija tai įvyks – 1015 eV ar daugiau – ir mokslininkai turi sužinoti.

1931 mPaulas Dirac pristatė neįprastą dalelę į fiziką – magnetinį monopolį. Anglų mokslininkas sugebėjo įrodyti, kad bent vieno magnetinio krūvio egzistavimas iš karto paaiškintų nesuprantamą elektrinio krūvio kvantavimo faktą. Iki šiol visos pastangos atrasti egzotines daleles baigėsi nesėkme. Bet jei magnetinis krūvis egzistuoja, tada, judėdamas medžiagoje, jis išsisklaidys elektromagnetines bangas. Ir jei šis retas reiškinys atsiras šalia Sibiro detektoriaus, tada monopolis bus aptiktas

Tamsi visatos pusė

Šiandien dauguma astronomų mano, kad didžioji dalis visatos patenka į vadinamąją tamsią materiją. Ji jokiu būdu "nesuteikia", nes ji nedalyvauja jokioje sąveikoje, išskyrus gravitacinį. Todėl daroma prielaida, kad tai yra tam tikros stabilios, silpnai sąveikaujančios dalelės su pakankamai dideliu mokslo nežinomu masiu. Priešingu atveju jie būtų buvę atrasta šiuolaikinių greitintuvų. Jei taip, tada tokios dalelės turėtų "kauptis" stipriuose gravitaciniuose laukuose – šalia ir viduje masyviose kūnuose. Pavyzdžiui, žemės viduje turėtų būti daug, kur jie gali laisvai judėti per medžiagą,beveik jokios sąveikos su juo. Tokiu atveju gali kartais atsirasti dalelės ir anti-dalelių sunaikinimas. Dėl to turėtų būti gimę didelės energijos neutridai ir antineutrinos. Baikalo teleskopo užduotis – registruoti signalą iš tokių įvykių arba nustatyti viršutinę tamsiosios medžiagos tankio ribą.

Planuojama trijų Europos giliųjų vandenų neutrininių teleskopų vieta. Vaizdas "Mokslo pasaulyje"

Naujas langas

Tarptautinio projekto "DUMAND" nesėkmė sukėlė mokslininkų pesimizmą. Atrodo, kad milžiniškų povandeninių detektorių konstrukcija susidūrė su neįveikiamais techniniais sunkumais. Uždirbtas Baikalo teleskopas nepaliko tokių baimių. Pasirodo, kad ultraaktyviosios neutrininos, atėjusios į mus iš gilios erdvės ir turinčios "išskirtinę" informaciją, gali būti užregistruotos naudojant natūralius vandens telkinius.

Antroje dešimtojo dešimtmečio pusėje. Amerikos mokslininkų iniciatyva Antarktidoje, netoli Pietų ašigalio, buvo pastatytas AMANDA neutrininis jutiklis. Jo naujovė yra ta, kad fotomultiplius įrengiami dideliu gyliu ne vandenyje, o ledu.Pirma, kaip paaiškėjo, Antarkties ledo skaidrumas siekia 100 m, tai buvo mokslininkų malonus siurprizas. Antra, itin mažas fotoelementų šiluminis triukšmas, esant -50 ° C temperatūrai, žymiai pagerina labai silpnų šviesos signalų registravimo sąlygas. Pirmasis subglacial neutrino buvo užfiksuotas 1996 metais. Sukūrė detektorių Pietų ašigalyje Ledo kubas kurio jautrias kiekis yra artimas 1 km3.

Taigi, dabar jau dirba du milžiniški ultravioletinių neutrinų jutikliai. Be to, Europos šalys nusprendė įsigyti savo giliavandenes teleskopas. Šių metų netoli Prancūzijos pakrantės turėtų būti įrengta ANTARES detektoriaus konstrukcija, kurios darbinis tūris yra panaši į esamus Baikalo ir Antarkties detektorius. Visa tai įkvepia pasitikėjimą, kad per 10-20 metų neutrino astrofizika iš aukšto energijos kiekio taps galingu įrankiu visatos tyrimui.

Kosminis neutrinino srautas yra naujas kanalas, per kurį mes galime gauti informaciją apie Visatos struktūrą. Šiuo metu yra tik nedidelis langelis, kurio plotis yra apie keletą MeV. Dabar yra naujas langas, atidaromas aukštų ir itin didelių energijos srityje.Artimiausioje ateityje mes matome per jį nežinomą, bet tikrai tai duos mums daugybę staigmenų.

Papildoma literatūra:
1) Domogatsky G. V., Komar A. A., Chudakov A. E. Požeminiai ir povandeniniai eksperimentai fizikoje ir astrofizikoje // Gamta, 1989, № 3, p. 22-36.
2) Berezinskis V. S., Zatsepinas G. T. Eksperimentų su labai didelės energijos kosminėmis neutrinomis galimybės: projektas DUMAND. UFN, 1977, Nr. 5, p. 3-36.
3) Lernd J., Eichler D. Giluminis neutrinino teleskopas (išverstas iš Mokslinis amerikietis) / / UFN, 1982, № 7, p. 449-465.
4) Davis R. Pusę amžiaus su saulės neutrinomis. (Nobelio paskaita fizikoje – 2002) // UFN, 2004, № 4, p. 408-417.
5) M. Koshiba. Neutrino astrofizikos gimimas (Nobelio paskaita fizikoje – 2002) // UFN, 2004, № 4, p. 418-426.
6) Bakal J. Neutrino astrofizika. M .: Mir, 1993.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: