Китай построит крупнейший в мире подводный телескоп для охоты за «призрачными частицами»

Космические лучи — потоки заряженных частиц, часть из которых — с очень высокими скоростями и энергиями. Они приходят из космического пространства и постоянно бомбардируют атмосферу Земли со всех сторон. Спустя более чем 100 лет после их открытия австрийским физиком Виктором Гессом (за это он получил Нобелевскую премию в 1936 году) ученые до сих пор не могут окончательно объяснить их природу. Неизвестно, как и где наиболее высокоэнергетические из этих частиц получают столь огромные энергии.

Но физики уверены, что космические лучи несут высокоэнергетические нейтрино (в переводе с итальянского — «нейтрончик») — мельчайшие элементарные частицы, которые не меняют направления своего движения, не распадаются и не поглощаются межзвездной средой. Они могут проходить сквозь земную атмосферу и Землю, не реагируют на магнитное поле.

Космические лучи в основном состоят из протонов. Когда протоны сталкиваются с ядрами атомов, например во время взаимодействия лучей с активными ядрами галактик, окрестностями черных дыр, пульсарами, рождаются мезоны. В результате распада мезонов возникают космические нейтрино высоких энергий. Кроме того, еще один тип нейтрино может появляться во время попадания космических лучей в атмосферу нашей планеты. Столкновения протонов с атомами воздуха рождает заряженные пионы, которые распадаются среди прочего на высокоэнергетичные мюонные нейтрино.

У нейтрино нет заряда, но есть небольшая масса, которая не превышает 0,8 электронвольта. Для сравнения, масса электрона — 511 тысяч электронвольт. Для «нейтрончика» как будто не существует преград: они легко проникают сквозь предметы, людей и планету. Помимо этого, нейтрино практически не взаимодействуют с веществом, а значит, такие частицы довольно сложно «поймать». Вот почему их называют «призрачными». 

Несколько десятилетий назад ученые обнаружили, что когда нейтрино проходят сквозь Землю, они могут слабо взаимодействовать с молекулами воды и на больших глубинах создавать «побочные продукты» — потоки 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.

Именно для этих целей исследователи строят телескопы либо под водой, либо под землей, но с огромными резервуарами воды. Большой объем воды позволяет увеличить пространство, через которое может пройти нейтрино. Она должна быть чистой, чтобы исключить примеси, которые способны повлиять на процесс пролета нейтрино и его регистрацию. Обычно такие системы представляют собой детекторы — пространственные решетки фотоумножителей, позволяющие регистрировать черенковский свет. 

Отметим, что нейтрино могут рождаться не только вблизи массивных черных дыр, во время взрывов сверхновых, в активных ядрах галактик, но и в недрах Солнца, Земли, в атмосфере, даже в ядерных реакторах. Ученых зачастую интересуют именно космические нейтрино, то есть нейтрино сверхвысоких энергий, потому что они несут информацию о далеких астрономических объектах.

Чтобы выделить из этих потоков мельчайших элементарных частиц космические нейтрино, необходимы огромные детекторы, в которых в качестве «рабочего материала» выступают большие объемы воды или льда. Самый крупный на сегодня нейтринный телескоп — IceCube, представляющий собой массив оптических детекторов, встроенных в толщу антарктического льда. Его запустили в 2010 году, рабочий объем составляет один кубический километр. За время работы IceCube обнаружил нейтрино сверхвысоких энергий (вероятно, они возникли за пределами Солнечной системы), а также позволил создать первую нейтринную карту Млечного Пути.

Нейтринная обсерватория IceCube, построенная на антарктической станции Амундсен-Скотт / © Wikimedia

Еще одна крупная установка находится в России, в озере Байкал, — Baikal-GVD. Она начала работать в 2021 году и, в отличие от IceCube, расположена на глубине, но рабочий объем немного меньше. 

На днях стало известно, что свой глубоководный нейтринный телескоп нового поколения собирается построить Китай. Об этом рассказали китайские ученые из Шанхайского университета Цзяо Тун. Работа с описанием телескопа опубликована в журнале Nature Astronomy.

Для установки, которую назвали Trident, уже выбрали место — Южно-Китайское море, не так уж далеко от экватора (в 540 километрах к югу от Гонконга). Телескоп разместят на плоском морском дне на глубине 3,5 километра.

«Поскольку наша система будет находиться недалеко от экватора, при вращении Земли она сможет улавливать нейтрино со всех сторон. Это позволит нам вести наблюдения без каких-либо слепых зон», — пояснил руководитель проекта Цзин Ипэн.

Работы над проектом Trident уже начались. Ожидается, что первый этап строительства завершится к 2026 году / © Shanghai Jiao Tong University

Китайская установка будет состоять более чем из 24 тысяч 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. Срок службы установки рассчитан на 20 лет, а построят ее к 2030 году. К слову, работы по строительству глубоководного нейтринного телескопа уже начались. 

По мнению авторов проекта, Trident поможет решить вековую загадку происхождения космических лучей, проверить пространственно-временные симметрии, найти квантовую гравитацию и косвенно обнаружить темную материю.