Sygnał wychwycony

Tak artysta przedstawił oddziaływanie neutrin o ultrawysokiej energii z cząsteczkami wody 
Nicolle R. Fuller/NSF/IceCub

Naukowcy podsumowali wyniki pierwszych dwóch lat pracy bajkalskiego głębokowodnego teleskopu neutrinowego Baikal-GVD. Głównym wynikiej jest potwierdzenie istnienia strumienia neutrin o charakterze astrofizycznym i określenie jego parametrów. Raport został opublikowany w czasopiśmie Physical Review D.

Nieuchwytna cząstka

Na początku lat trzydziestych dwudziestego wieku, podczas eksperymentów z zakresu fizyki jądrowej, naukowcy zauważyli, że całkowita energia produktów rozpadu była zwykle mniejsza niż pierwotna energia rozpadającego się jądra. I założyli, że istnieje nieznana, bardzo lekka, nienaładowana cząstka, która odprowadza tę brakującą energię. Enrico Fermi nazwał ją „neutrino”.

Jej istnienie zostało potwierdzone doświadczalnie w 1956 roku, gdy amerykańscy fizycy analizowali oddziaływanie z materią cząstek subatomowych wystrzelonych z reaktora jądrowego.

Neutrina są notorycznie nieuchwytne i niezwykle obfite. W zależności od ich źródła dzieli się je na trzy grupy. Po pierwsze, kosmiczne; po drugie – powstające w procesach rozpadu radionuklidów we wnętrznościach Ziemi. Wreszcie neutrina pochodzące ze źródeł stworzonych przez człowieka - reaktorów i akceleratorów.

Z kolei neutrina kosmiczne występują w czterech rodzajach. Pierwsze to neutrina reliktowe lub kosmologiczne, pozostałe po Wielkim Wybuchu. Następnie są neutrina gwiazdowe, w tym neutrina słoneczne. Ich źródło pochodzi z reakcji jądrowych we wnętrzach gwiazd. Neutrina promieni kosmicznych powstają z oddziaływań w jądrach galaktyk, wybuchów supernowych i innych zdarzeń kosmicznych o ogromnej energii. Czwarty rodzaj występuje w atmosferze ziemskiej, gdy protony promieni kosmicznych zderzają się z atomami azotu.

Rejestrując neutrina, naukowcy mogą określić skąd pochodziła cząstka, jej energię początkową i rodzaj źródła. Naukowcy jako pierwsi „złapali” niskoenergetyczne cząstki słoneczne ponad pół wieku temu. Okazało się, że w każdej sekundzie około 6 x 1010 neutrin zrodzonych przez Słońce przemierza każdy centymetr kwadratowy powierzchni Ziemi, w tym nasze ciała.

Tym, co najbardziej interesuje fizyków, są wysokoenergetyczne neutrina pochodzące z odległych zakątków kosmosu. Nazywane są one również neutrinami astrofizycznymi. Podróżują one z prędkością światła i mogą nieść informacje o procesach, które zachodziły w najdalszych zakątkach wszechświata miliardy lat temu. Uważa się, że badanie tych cząstek pozwoli lepiej zrozumieć osobliwości ewolucji galaktyk i powstawania supermasywnych czarnych dziur. I być może dostarczy wskazówek do tajemnic ciemnej materii i ciemnej energii.
 

Co rejestruje detektor Baikal-GVD 
Głębokowodny detektor wychwytuje ruch wysokoenergetycznych neutrin

1. Bardzo daleki od nas kosmiczny obiekt emituje neutriny
2. Przypadkowe zderzenie neutina z jądrem atomowym podczas przechodzenia przez Ziemię generuje mion lub deszcze elektromagnetyczny
3. Energia i kierunek ruchu mionu wskazuje na odległe źródło w przestrzeni

Jak łapane są kosmiczne neutrina

W połowie lat dwutysięcznych na świecie rozpoczęto budowę obserwatoriów zdolnych do wykrywania neutrin kosmicznych. Instaluje się je głęboko pod ziemią, w słupie lodu lub wody, aby odizolować detektory od promieniowania tła.

Neutrin nie można wykryć bezpośrednio, ponieważ nie mają one ładunku elektrycznego, a ich masa jest znikoma. Ale czasami – bardzo rzadko – oddziałują z cząstkami w ośrodku, przez który przechodzą. Powstają wtedy naładowane miony, które przechodząc gwałtownie przez wodę lub lód, powodują niebieską poświatę – promieniowanie Czerenkowa. Jest on wykrywany przez moduły optyczne obserwatoriów neutrinowych.

Obecnie istnieją trzy takie instalacje. W 2011 roku na amerykańskiej stacji antarktycznej Amundsen-Scott uruchomiono obserwatorium neutrinowe IceCube. W lodzie na głębokości ponad dwóch tysięcy metrów umieszczono około pięciu tysięcy modułów optycznych z czułymi fotopowielaczami w środku. W 2013 roku członkowie projektu IceCube ogłosili, że udało im się utrwalić całkowity, czyli jak mówią naukowcy, rozproszony przepływ neutrin astrofizycznych, bez rozdzielania u źródła.

Tak istotny wynik dla rozwoju astronomii i astrofizyki neutrinowej wymagał potwierdzenia przez inne eksperymenty. Stało się to priorytetem dla dwóch teleskopów neutrinowych: francuskiego ANTARES, działającego na głębokości 2400 metrów w Morzu Śródziemnym (część dużego europejskiego projektu KM3NeT), oraz rosyjskiego podwodnego teleskopu neutrinowego Bajkał, znanego jako projekt Baikal-GVD.
 

Lampa fotopowielacza teleskopu neutrin Baikal-GVD 
BAIKAL-GVD

Od pierwszego detektora do instalacji megasayens

Baikal-GVD jest ucieleśnieniem idei wybitnego radzieckiego fizyka akademika Moisieja Markowa. W 1960 roku zaproponował on rejestrację nieuchwytnych cząstek w przezroczystych mediach naturalnych, w których detektory światła umieszczono w pewnej odległości od siebie.

W 1980 roku w Instytucie Badań Jądrowych Rosyjskiej Akademii Nauk (INR RAS) powstało Laboratorium Astrofizyki Neutrin dla Fizyki Wysokich Energii, kierowane przez Grigorija Domogackiego. Laboratorium zostało powołane w celu budowy teleskopu neutrin w wodach jeziora Bajkał oraz prowadzenia badań fizycznych nad teleskopem neutrin.

Do projektu dołączyło siedem innych rosyjskich instytutów oraz niemiecki ośrodek badawczy fizyki cząstek elementarnych DESY. W 1998 roku w jeziorze Bajkał pojawił się detektor neutrin pierwszej generacji o wysokiej energii: głębokowodny teleskop neutrin NT-200.
 

Zanurzenie łańcucha modułów optycznych 
Zdjęcie: Instytut Badań Jądrowych Rosyjskiej Akademii Nauk

Stał się jednym ze światowych liderów w badaniach naturalnych strumieni neutrin przy ultrawysokich energiach (ponad dziesięć teraelektronowoltów) oraz w poszukiwaniu kandydatów na cząstki ciemnej materii. Ale najważniejsze: doprowadzono tam do perfekcji technologię rejestracji cząstek kosmicznych w naturalnych ośrodkach, co pozwoliło przenieść się do tworzenia teleskopów o skali kilometrów sześciennych.

Bajkalski teleskop neutrin, uruchomiony w 2021 roku, to unikalna instalacja naukowa położona 3,6 km od brzegu na głębokości około 1300 metrów. Składa się z dziesięciu klastrów po osiem pionowych sznurków przymocowanych do dna. Do każdego z nich przymocowanych jest 36 modułów optycznych - rur fotopowielacza. Układ optyczny rejestruje promieniowanie Czerenkowa mionów oraz kaskady wysokoenergetycznych cząstek naładowanych rodzących się w oddziaływaniach neutrin.
 

Jak zbudowany jest głębokowodny detektor neutrun Baikal-GVD

Detektor znajduje się w jeziorze Bajkał i zbiera ślad wysokoenergetycznych latających neutrin

Przejście naładowanej cząstki w wodzie powoduje powstanie promieniowania Czerenkowa, które naprawia moduły optyczne

 Dane o cząstce są przesyłane światłowodem do komputera badacza

Detektor jest przymocowany do dna

Jest po 8 strun w każdym klastrze, 10 klastrów modułów optycznych, 36 elementów optycznych na każdej strunie

Imponujący wynik

Baikal-GVD jest największym detektorem neutrin na półkuli północnej i drugim co do wielkości na świecie. Jednocześnie jest równie czuły jak największe obserwatorium neutrin IceCube na Antarktydzie. Te dwa obiekty wzajemnie się uzupełniają. Istnieją kierunki niewidoczne dla IceCube, ale dostępne dla Baikal-GVD. Razem obejmują całą sferę niebieską.

Uruchomienie teleskopu Baikal było kluczowym krokiem w kierunku stworzenia globalnej sieci detektorów neutrin. Skuteczność synergetycznego podejścia została szybko potwierdzona. 14 grudnia 2021 roku obserwatorium IceCube odnotowało wyjątkowe wydarzenie: naukowcy zaobserwowali tor neutrin, zbiegający się z najpotężniejszym w historii obserwacji wybuchem blazara. Cztery godziny później interakcja została zarejestrowana przez Baikal-GVD. Po raz pierwszy dwa największe na świecie teleskopy neutrinowe wykryły sygnał z tego samego kosmicznego wydarzenia.
 

Przygotowania do uruchomienia teleskopu neutrin głębinowych Baikal-GVD nad jeziorem Bajkał 
RIA Novosti / Kiriłł Szypicyn

Naukowe znaczenie wyników uzyskanych w ciągu dwóch lat pracy Bajkalskiego Teleskopu polega przede wszystkim na tym, że potwierdziły one obecność astrofizycznych neutrin wykrytych wcześniej przez IceCube. Zbieżne są również parametry fizyczne strumieni uzyskanych w dwóch niezależnych eksperymentach. W sumie rosyjscy fizycy zidentyfikowali 25 zdarzeń w całkowitym strumieniu rozproszonym - kandydatów na neutrina o naturze astrofizycznej.

„Wykrycie naturalnego strumienia wysokoenergetycznych neutrin pochodzenia astrofizycznego przez antarktyczny detektor IceCube jest teraz potwierdzone przez wyniki uzyskane na półkuli północnej przez teleskop neutrin Baikal-GVD” - powiedział Grigorij Domogackij, szef Baikal-GVD Collaboration i członek korespondencyjny RAS. – „Wspólna praca obu detektorów umożliwia poszukiwanie źródeł wysokoenergetycznych neutrin na całej sferze niebieskiej i oznacza początek procesu budowania mapy nieba neutrinowego”.

Prace nad rozmieszczeniem Bajkalskiego Teleskopu Neutrinowego trwają. Co roku od połowy lutego do połowy kwietnia na Bajkale instalowane są nowe klastry. W 2023 roku naukowcy planują dodać dwa kolejne do dziesięciu już działających. Oczekuje się, że do 2027 roku Baikal-GVD osiągnie objętość jednego kilometra sześciennego, równą IceCube.