Нейтринные телескопы

Нейтрино, благодаря слабому взаимодействию с веществом, может выходить из объектов не прозрачных для других видов излучения и, следовательно, может дать важную информацию о процессах внутри них.

 Основные направления исследований в области нейтринной астрофизики, проводимые в настоящее время:

1. Исследование внутреннего строения Солнца.
2. Исследование гравитационного коллапса массивных звезд.
3. Поиск нейтрино от объектов, в которых, по–видимому, происходит ускорение космических лучей, таких как бинарные звездные системы, туманности, образовавшиеся после взрыва сверхновых звезд, ядра активных галактик, источники g всплесков.
4. Поиск темной материи с помощью нейтрино.
5.Исследование нейтринных осцилляций, использующее в качестве источника атмосферные нейтрино или солнечные нейтрино.
6.  Поиск нейтрино из недр Земли (геонейтрино).
7. Исследование темпа формирования массивных звезд в ранние эпохи по диффузному потоку нейтрино от всех гравитационных коллапсов

   В июне 2005 года было решено объединить самые крупные детекторы нейтрино на четырех континентах (Super-Kamiokande в Японии, Sudbury Neutrino Observatory в Канаде, Large Volume Detector в Италии и Antarctic Muon and Neutrino Detector на Южном полюсе Земли) в единую сеть, получившую название SNEWS (SuperNova Early Warning System). Результаты круглосуточного мониторинга направляются на центральный компьютер, расположенный в Брукхевенской национальной лаборатории в США. Цель эксперимента – впервые дать заблаговременный и, главное, достоверный прогноз вспышкам сверхновых в нашей Галактике.

    В России исследованиями в области физики элементарных частиц, атомного ядра, физики космических лучей и нейтринной астрофизики ведает Институт ядерных исследований Российской Академии наук.  образованый постановлением Президиума Академии наук от 24 декабря 1970 года на основе решения Правительства, принятого по инициативе Отделения ядерной физики. Институт является пионером в развитии исследований в области подземной и глубоководной физики нейтрино. На Северном Кавказе Институтом построена Баксанская нейтринная обсерватория с комплексом крупномасштабных подземных нейтринных телескопов (галлий-германиевого) и наземных установок большой площади для исследований в области физики солнечных нейтрино, физики космических лучей и нейтринной астрофизики. На озере Байкал Институтом создан первый в мире стационарный глубоководный нейтринный телескоп для регистрации нейтрино высоких энергий, проходящих сквозь земной шар.

1.  Подземные нейтринные телескопы
    Методика регистрации заряженных частиц, рожденных при взаимодействии нейтрино, самая разнообразная – сцинтилляционные баки (Баксанский сцинтилляционный телескоп), стримерные трубки (установка MACRO), регистрация черенковского света в воде (установки Super-Kamiokande и SNO). Энергетический порог установок 5¸10 МэВ. Для уменьшения фона от атмосферных мюонов нейтринные телескопы размещают в помещениях, экранированных от поверхности слоем грунта толщиной 1 - 2 км. Следует отметить, что ряд установок (IMB, NUSEX, FREJUS, SOUDAN) создавались в 80-е годы прежде всего для поиска распада протона.
   Наибольшим из существующих подземных нейтринных телескопов является водный черенковский детектор Super-Kamiokande (Япония). Детектор представляет собой стальной цилиндрический резервуар (высотой 41 м и диаметром 38 м), наполненный водой. Полная масса воды ~50 тыс.тонн. Внутренний объем просматривается 11 тысячами фотоумножителей с диаметром фотокатода 50 см, равномерно размещенных по внутренней поверхности резервуара. Площадь покрытая фотокатодами фотоумножителей примерно равна 40% всей внутренней площади резервуара. Снаружи резервуар окружен со всех сторон слоем воды толщиной 2.5 м, также просматриваемой фотоумножителями. Большое число фотоумножителей позволяет получать детальный "образ" события и разделять события от взаимодействия мюонных нейтрино с образованием мюона от событий, вызванных взаимодействием электронных нейтрино с электроном в конечном состоянии. Наличие активной защиты дает возможность выделять нейтринные события не только снизу, т.е. от нейтрино прошедших Землю, но и сверху.

      SuperKamiokande (или Super-K) — нейтринный детектор, являющийся модернизированной моделью Kamiokande-II. Он размещен в японской лаборатории на глубине в 1,6 километра в цинковой шахте Камиока, в 180 милях к северу от Токио. Строительство детектора производилось консорциумом американских и японских исследователей, и было завершено в 1996 году. Детектор SuperKamiokande представляет собой резервуар из нержавеющей стали высотой 42 м и диаметром 40 м, заполненный 50 тыс. тоннами специально очищенной воды. На стенах резервуара размещены 11146 фотоумножителей (ФЭУ). Также детектор оснащен огромным количеством электроники, компьютеров, калибровочных устройств и оборудованием для очистки воды. Это чрезвычайно светочувствительные приборы: при попадании на их поверхность даже одного кванта света они генерируют электрический импульс, который затем обрабатывает специальная электронная система.

       Баксанская нейтринная обсерватория (БНО) — физическая обсерватория по изучению нейтрино, расположенная в Баксанском ущелье Кавказского горного хребта (38 км от города Тырныауз, Эльбрусский район, Кабардино-Балкария, 43°17′20″ с. ш. 42°42′10″ в. д.). Подземные сооружения обсерватории находятся в двух туннелях длиной 3670 м под горой Андырчи, их эквивалентная глубина составляет от 100 до 4800 м водного эквивалента. Принадлежит Институту ядерных исследований РАН. Численность сотрудников вместе с обслуживающим персоналом около 250 человек, большинство проживают в посёлке Нейтрино. Располагает следующими установками:

• Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп (БПСТ) объемом 3000 м³ на глубине 300 м под поверхностью;
• галлий-германиевый нейтринный телескоп (ГГНТ) — радиохимический детектор солнечных нейтрино с мишенью из металлического галлия массой 60 т (проект SAGE, находится на расстоянии 3,5 км от входа в туннель);
• установка «Андырчи» для регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ), расположенная на поверхности горы (высота 2060 м над уровнем моря) над БПСТ на площади 5·10⁴м²; и состоит из 37 сцинтилляционных детекторов;
• комплекс наземных установок КОВЕР (включает в себя Большой мюонный детектор, сцинтилляционный телескоп и нейтронный монитор), предназначенный для исследования жёсткой компоненты космических лучей и широких атмосферных ливней).

Направления научных исследований:

• исследование внутреннего строения и эволюции Солнца, звёзд, ядра Галактики и других объектов Вселенной путем регистрации их нейтринного излучения;
• поиск новых частиц и редких процессов, предсказываемых современными теориями элементарных частиц, на недоступном другим методам уровне чувствительности;
• исследование космических лучей высоких энергий, гамма-астрономия.

    2. Оптические нейтринные телескопы в естественных средах.
   Идея регистрации нейтрино в природных водоемах по черенковскому излучению рожденного при взаимодействии нейтрино мюона предложена в начале 60-х годов М.А.Марковым (Markov, 1960), но только в 90-ые годы идея нашла свое экспериментальное воплощение.
   Глубоководный нейтринный телескоп можно представить как систему пространственно разнесенных фотоприемников  (фотоумножители с большой площадью фотокатода или гибридные фотоприемники, как например Квазар–370 в Байкальском глубоководном нейтринном телескопе НТ200). Расстояние между фотоприемниками по порядку величины совпадает с длиной поглощения света. Нейтрино и, соответственно, мооны от нейтрино пересекают детектор со всех направлений, но отделить мюоны от нейтрино от мюонов, рожденных  в распадах пионов и каонов,  можно  только с направлений  из нижней полусферы (из-под Земли). Действительно, только нейтрино может пересечь земной шар и родить мюон  вблизи поверхности.
   Фотоприемники помещают в стеклянные сферы для защиты от внешнего давления воды. Фотоприемник с дополнительной, необходимой для его работы электроникой (источники высокого напряжения, делитель, предусилитель, светодиод для калибровки), принято называть оптическим модулем. Оптические модули крепятся к вертикальному тросу с буем на одном конце и якорем на другом. Трос с оптическими модулями принято называть гирляндой или стрингом (от англ. string).
   Начало обсуждения проекта первого глубоководного нейтринного телескопа относится к середине 70–х годов. Проект назывался DUMAND (Deep Underwater Muon and Neutrino Detection). Предполагалось создать глубоководный нейтринный телескоп в Тихом океане, в 20 км от одного из Гавайских островов. В течение работы над этим проектом был заложен методический фундамент будущих экспериментов, но сам проект не был реализован.
   С начала 80–х годов на озере Байкал ведутся эксперименты по глубоководной регистрации мюонов и нейтрино. Толчком к развитию работ на Байкале было замечание А.Е. Чудакова, обратившего внимание на то, что наличие прочного льда на озере Байкал в течение почти 2-х месяцев дает возможность сравнительно просто и дешево проводить работы по развертыванию глубоководной установки. В 1998 году был введен в эксплуатацию Байкальский нейтринный телескоп НТ200. Телескоп расположен в южной части озера на расстоянии 3.6 км от берега. Центр телескопа расположен на глубине 1150 м. Это первый в мире удачный опыт создания глубоководных установок такого масштаба. В настоящее время закончено расширение установки НТ200 до установки НТ200+. В новой конфигурации к телескопу НТ200 добавлены три внешних стринга на расстоянии 100 м от центра НТ200.  Чувствительность новой установки  к нейтрино сверхвысоких энергий возросла в четыре раза.  Начато проектирование глубоководного телескопа объемом ~ 1 км³.

			Схема расширенного NT-200+ (показаны профиль и вид сверху)
Месторасположение НТ200	Схематическое изображение телескопа НТ200. Отдельно показаны 2 пары (4)  оптических модулей и электронный модуль (3), образующие структурную единицу телескопа, "связку". 1 – блок электроники детектора, 5,6 – лазеры, используемые для калибровки.	Экспериментальная схема стринга с детектирующими и управляющими модулями на нем.(SEM - электронный стринговый модуль, DEM – электронный детекторный модуль)	“Квазара” иммет высокое напряжение внутри колбы – 25 кВ, поэтому магнитное поле Земли не искажает траектории фотоэлектронов внутри колбы. “Квазар” имеет очень большой диаметр чувствительного слоя (370 мм). Это устройство выдерживает давление до 150 атмосфер на глубине 1100-1200 метров.

   В начале 90–х годов были начаты работы по созданию нейтринного телескопа АМANDA на Южном полюсе, на американской станции Амундсен – Скотт. Южный полюс покрыт, как известно, льдом толщиной около 3-х километров. Реализация проекта стала возможной благодаря уникальной методике создания глубоких (2 км !) каналов во льду с помощью горячей воды. Канал замерзает примерно через 2-ое суток и этого времени достаточно для монтажа гирлянды фотоприемников, но поднять и отремонтировать гирлянду уже невозможно. В настоящее время AMANDA состоит из 677 фотоприемников, размещенных на 19 стрингах, и является крупнейшим нейтринным телескопом. Начаты работы по расширения установки до объема в 1 км³. Новая установка IceCube будет состоять из 4800 оптических модулей на 80 стрингах.  Над установкой будет расположена установка IceTop для регистрации широких атмосферных ливней от космических лучей. IceCube («Ледяной куб») — строящаяся нейтринная обсерватория, которую планируется ввести в эксплуатацию в 2011 году. Как и свой предшественник, мюоно-нейтринный детектор AMANDA, IceCube будет расположен глубоко под антарктическим льдом на глубине от 1450 до 2450 м. Первое нейтринное событие было зарегистрировано 29 января 2006 года. Официальный сайт и в Википедии IceCube

Обычный телескоп, сделанный из стекла и металла  при виде сверху IceCube (ледовый куб) на американской полярной станции «Амундсен— Скотт»	Нейтринные телескопы  IceCube и  Amanda. Установка для регистрации ШАЛ  IceTop

   Эффективные площади и объемы нейтринных телескопов в естественных средах существенно превышают площади и объемы подземных установок, а энергетический порог существенно выше – 10¸100 ГэВ. Основные задачи нейтринных телескопов в естественных средах – исследование потока нейтрино высоких и сверхвысоких энергий от космических источников, поиск темной материи, а также поиск экзотических частиц, предсказываемых современной теорией (магнитные монополи, странглеты, Q-боллы)

3.  Проекты  неоптических нейтринных телескопов¸
   Разумной границей объема оптических нейтринных телескопов, по крайней мере на ближайшее 20 лет, является 1 км³. Возможные пути увеличения объема нейтринных телескопов и, следовательно, продвижения в область более высоких энергий связаны с регистрацией акустического и высокочастотного (»100-1000 мГц) радио сигнала от электромагнитных и адронных каскадов. Существование акустических и радиочастотных сигналов от электромагнитных каскадов было предсказано в 1957г  Г. Аскарьяном¸
   В настоящее время акустические детекторы находятся в стадии проектирования и изучения методики выделения полезного сигнала из шумов. Предполагается, что создаваемые оптические нейтринные телескопы (НТ200+, NESTOR, ANTARES, IceCube) будут дополнены детекторами акустических сигналов для расширения эффективного объема регистрации. Обсуждается возможность использования для регистрации каскадов от нейтрино системы гидрофонов, созданных ВМС США вблизи Багамских островов (проект AUTEC) и решетку из акустических антенн, установленную на Камчатке для наблюдения за подводными лодками в Тихом океане (проект AGAM).
   Проекты, использующие методику регистрации высокочастотного радиосигнала, развиваются успешнее. Уже несколько лет на Южном полюсе работает установка RICE (Radio Ice Cherenkov Experiment), состоящая из 20-ти антенн, вмороженных в лед.  В летний  антарктический сезон 2006 – 2007 года планируется запуск вокруг Южного полюса баллона с установкой, способной регистрировать радиосигналы от взаимодействий нейтрино в толстом антарктическом льду (проект ANITA). С высоты 35 км установка будет просматривать огромный объем. Предполагается, что в этом эксперименте удастся зарегистрировать первые события от нейтрино ультравысоких энергий ( >10¹⁷ эВ). В эксперименте GLUE  была сделана попытка  зарегистрировать с помощью 2-х радиотелескопов сигнал от взаимодействия нейтрино с Луной.

4.  Возможности наблюдения сигналов от нейтрино ультравысоких энергий на проектируемых установках ШАЛ ¸
   Для исследования космических лучей с энергией выше 10²⁰ эВ в Аргентине создается установка Оже (Auger) площадью 3000 км² для регистрации широких атмосферных ливней. Активно проектируются установки для регистрации со спутников флюоресцентного света от ШАЛ. Такие установки (зеркало и мозаика фотоумножителей), будут с высоты орбиты (~500 км) просматривать площадь в десятки раз превышающую площадь установки Оже. В настоящее время существуют три проекта: европейский проект EUSO, американский – OWL и российский КЛПВЭ.

   Хотя основная цель новых установок – исследование космических лучей выше границы реликтового обрезания, эти установки представляют интерес и для нейтринной астрофизики ультравысоких энергий.