Предстоящий глубоководный нейтринный телескоп превзойдет по чувствительности крупнейшую в настоящее время нейтринную обсерваторию IceCube, размещенную в Антарктиде на станции Амундсен-Скотт, во много раз — в 10 тысяч.
Космические лучи представляют собой потоки заряженных частиц, некоторые из которых обладают чрезвычайно высокими скоростями и энергиями. Эти частицы прилетают из глубин космоса и непрерывно обрушиваются на атмосферу Земли со всех направлений. После открытия австрийским физиком более чем 100 лет назад Виктором Гессом (несмотря на то, что за эти открытия он был удостоен Нобелевской премии в 1936 году, ученые до настоящего времени не смогли полностью выяснить их сущность. До сих пор остается неясным, каким образом и в каких условиях самые высокоэнергетические из этих частиц приобретают столь колоссальные энергии.
Но физики убеждены, что космические лучи содержат высокоэнергетические нейтрино (эти частицы, известные в переводе с итальянского как «нейтрончик», представляют собой мельчайшие элементарные составляющие, которые не изменяют траекторию своего движения, не распадаются и не поглощаются межзвездной средой. Они способны проходить сквозь земную атмосферу и через Землю, не взаимодействуя с магнитным полем.
Космические лучи в основном состоят из протонов. При столкновении протонов с ядрами атомов, например, при взаимодействии лучей с активными ядрами галактик, вблизи черных дыр или пульсаров, возникают мезоны. В процессе распада мезонов образуются космические нейтрино с высокими энергиями. Также, нейтрино другого типа могут возникать при столкновениях космических лучей в атмосферу нашей планеты. Столкновения протонов с атомами воздуха рождает заряженные пионы, которые распадаются среди прочего на высокоэнергетичные мюонные нейтрино.
Нейтрино не обладают электрическим зарядом, однако обладают небольшой массой, величина которой не превышает 0,8 электронвольта. Для сравнения, масса электрона — 511 тысяч электронвольт. «Нейтрончики» не испытывают влияния преград: они свободно проходят сквозь различные объекты, включая людей и планету. Кроме того, нейтрино слабо взаимодействуют с материей, что значительно усложняет их обнаружение. Именно поэтому их называют «призрачными».
За несколько десятилетий ученые установили, что нейтрино, проходя через Землю, способны незначительно взаимодействовать с молекулами воды, что приводит к образованию «побочных продуктов» — потоков мюонов, которые испускают черенковское излучение в виде голубого свечения под строго определенным углом. Изучая эти «вспышки», физики могут определить направление движения мюона и его энергию, а значит, и источник нейтрино.
Для достижения этих целей исследователи возводят телескопы, размещая их либо под водой, либо под землей, но с использованием массивных резервуаров воды. Значительный объем воды необходим для расширения пространства, доступного для нейтрино. Вода должна быть предельно чистой, чтобы исключить наличие примесей, которые могут исказить траекторию нейтрино и затруднить его обнаружение. Как правило, эти системы состоят из детекторов — пространственных решеток фотоумножителей, предназначенных для регистрации черенковского излучения.
Нейтрино способны формироваться не только вблизи массивных черных дыр, во время взрывов сверхновых и в активных ядрах галактик, но и в недрах Солнца и Земли, в атмосфере, а также в ядерных реакторах. Особенно интересны ученым космические нейтрино – нейтрино с экстремально высокими энергиями, поскольку они содержат сведения о далеких астрономических объектах.
Для обнаружения мельчайших элементарных частиц, составляющих космические нейтрино, требуются масштабные детекторы, использующие в качестве среды регистрации значительные объемы воды или льда. Крупнейший нейтринный телескоп на текущий момент — IceCube, представляющий собой комплекс оптических детекторов, расположенных внутри массива антарктического льда. Запуск установки состоялся в 2010 году, ее рабочий объем — один кубический километр. В течение периода эксплуатации IceCube обнаружил нейтрино сверхвысоких энергий (вероятно, они возникли за пределами Солнечной системы), а также позволил создать первую нейтринную карту Млечного Пути.
Еще одна значительная установка расположена в России, на территории озера Байкал, — Baikal-GVD. Она начала работать в 2021 году и, в отличие от IceCube, располагается на значительной глубине, однако ее полезный объем несколько меньше.
Недавно стало известно о планах Китая по созданию телескопа для регистрации глубоководных нейтрино нового поколения рассказали китайские ученые из Шанхайского университета Цзяо Тун. Работа с описанием телескопа опубликована в журнале Nature Astronomy.
Для установки, которую назвали Trident, место для размещения телескопа уже определено — Южно-Китайское море, расположенное относительно недалеко от экватора (в 540 километрах к югу от Гонконга). Телескоп будет установлен на ровном участке морского дна на глубине 3,5 километра.
«Благодаря расположению нашей системы вблизи экватора, вращение Земли обеспечит возможность улавливания нейтрино с любого направления. Таким образом, мы сможем проводить наблюдения без каких-либо зон, невидимых для детектирования», — пояснил руководитель проекта Цзин Ипэн.
Китайская установка будет включать в себя более 24 000 оптических датчиков (у IceCube их около пяти тысяч), расположенных в 1211 вертикальных «струнах», каждая длиной 700 метров. Эти датчики будут регистрировать черенковский свет, испускаемый мюонами, возникающими при столкновении нейтрино и атомов водорода или кислорода в молекулах воды.
Trident разместят в виде мозаики Пенроуза. Рабочий объем телескопа составит примерно 7,5 кубического километра, он будет сканировать морскую воду в поисках следов взаимодействий нейтрино сверхвысоких энергий. Trident будет в 10 тысяч раз чувствительнее системы IceCube. Установка рассчитана на эксплуатацию в течение 20 лет, а ее строительство планируется завершить к 2030 году. Строительство глубоководного нейтринного телескопа уже началось.
По мнению авторов проекта, Trident поможет решить вековую загадку происхождения космических лучей, проверить пространственно-временные симметрии, найти квантовую гравитацию и косвенно обнаружить темную материю.