IrkutskMedia, 1 октября. На Байкале подходит к завершающей стадии создание нейтринного телескопа Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector) — крупной установки класса мегасайенс. В настоящий момент активный объем достиг 80% от запланированного и составляет 0,8 кубического км. Наземная станция для регистрации широких атмосферных ливней, работа которой должна быть синхронизирована с системой глубоководных детекторов, может стать важной составной частью масштабного научного проекта.
Как сообщили в пресс-службе Новосибирского государственного университета, ученые Физического факультета провели моделирование наземной станции Байкальского нейтринного телескопа и предложили оснастить нейтринный телескоп разработанными ими сцинтилляционными детекторами для регистрации широких атмосферных ливней.
Помимо Baikal-GVD, расположенном в южной части Байкала, примерно в 3,6 км от берега, в мире действует еще два нейтринных телескопа — IceCube на Южном полюсе и KM3NeT в Средиземном море.
Научный объект на Байкале представляет собой крупную глубоководную обсерваторию на дне озера и является крупнейшим в Северном полушарии нейтринным телескопом. Научная установка предназначена для поиска и исследования потоков нейтрино сверхвысоких энергий из космоса.
Baikal-GVD выглядит как система вертикальных "гирлянд" с оптическими модулями, которые закреплены подо льдом зимой и погружены на стальных тросах в толщу воды на глубину от 750 до 1,3 тысячи метров. Кроме того, телескоп состоит из электронных модулей для питания электричеством, сбора данных, управления установкой и выполнения других задач. Группа станций объединяется Береговым центром. В 2016 году в эксплуатацию ввели первый кластер, и с тех пор объект постоянно расширяется. Модули улавливают слабое голубое свечение (черенковское излучение), которое возникает при взаимодействии нейтрино с водой.
Научный объект на Байкале создается силами международной коллаборации с ведущей ролью Института ядерных исследований Российской академии наук (Москва) и Объединенного института ядерных исследований (Дубна).
Нейтрино — это нейтральная элементарная частица с крайне малой массой, которая почти не взаимодействует с обычной материей. У частицы нет электрического заряда, поэтому она не подвержена воздействию электромагнитных сил. Нейтрино рождаются в термоядерных реакциях, питающих звезды, а также прилетают от взрывов сверхновых и далеких галактик.
Заведующий лабораторией новых методов регистрации ионизирующих излучений Междисциплинарного центра физики элементарных частиц и астрофизики Физического факультета НГУ Евгений Кравченко рассказал, что астрофизические нейтрино, прилетающие из глубин космоса, практически ничем не отличаются от нейтрино, которые рождаются в верхних слоях атмосферы нашей планеты от взаимодействия космических протонов. Ученый отметил, что вторых частиц гораздо больше. Отличить космические нейтрино от земных возможно статистически — атмосферные нейтрино регистрируются при малых энергиях, а астрофизические — в диапазоне более высоких энергий.
По словам ученого, многое зависит от точности расчетов, производимых с помощью специально разработанных программ моделирования, которые необходимо настраивать и проверять для каждого конкретного эксперимента. Например, в проекте IceCube для этого над глубинными детекторами, находящимися в толще льда на глубине 2,5 км, на ледовой поверхности установлены специализированные детекторы, регистрирующие широкие атмосферные ливни, в которых и рождаются атмосферные нейтрино. Эта система датчиков помогает эксперименту IceCube продвигаться в моделировании и калибровке, а также в решении отдельных астрофизических задач.
На проекте Baikal-GVD необходимо иметь аналогичную систему, считает ученый. Но это трудоёмкая задача, и ее решение связано с преодолением определенных сложностей. Установить датчики, регистрирующие широкие атмосферные ливни на Байкале трудно, так как оно не заморожено круглый год, как Южный полюс. На Байкале "гирлянды" с глубинными детекторами надежно закреплены якорями и сами себя поддерживают, но закрепить датчики у поверхности воды гораздо сложнее. Кроме того, стабильной работе детекторов мешают ветра, дожди, таяние снега или замерзание воды.
В ходе научной дискуссии с известным российским астрофизиком Григорием Рубцовым родилось предложение поместить установку из детекторов, регистрирующих широкие атмосферные ливни не прямо над Байкальским нейтринным телескопом, а примерно в четырех километрах от него на берегу и регистрировать широкие атмосферные ливни на поверхности земли не вертикально, а со значительным наклоном. Так появится возможность регистрировать широкие атмосферные ливни на поверхности земли и получить данные синхронного сигнала на Байкальском нейтринном телескопе. Береговую станцию ученые предложили назвать Baikal-Top.
Однако перед участниками проекта возник ряд очень серьезных вопросов относительно масштабов береговой установки. При вынесение проекта на значительное расстояние от Байкальского нейтринного телескопа "телесный" угол уменьшается, а поглощение сигнала в воде увеличивается. Вероятно, чтобы получить достаточную статистику для исследований совместных событий, потребуется регистрирующая установка очень больших размеров, на сооружение которой будут необходимы значительные финансовые затраты.
Кроме того необходимо создать программу моделирования, способную рассчитать эффективную площадь детекторов и произвести оценку количества событий, которые будут регистрироваться при данном подходе, а также учесть целый ряд других важных параметров.
Евгений Кравченко объяснил, что для выполнения поставленной задачи Даниил Жадан создал код, который ученые использовали для проведения расчетов. Существует широко распространенный стандартный пакет Corsika, способный производить моделирование широких атмосферных ливней. Ученые создали программу, использующую данный пакет совместно с Proposal-пакетом, описывающим прохождение мюонов высокой энергии через большой слой воды. Все это описывало так называемые совместные события. Полученные результаты были впервые представлены научному сообществу в 2025 году.
Мюоны — это тяжелые нестабильные элементарные частицы, обладающие огромной кинетической энергией и способные проходить сквозь плотные толщи вещества.
Первые расчеты показали, что проект наземной установки для изучения широких атмосферных ливней на Байкале реализуем и будет эффективно работать, если площадь регистрирующих детекторов будет равна от 100 до 600 кв. метров. Площадь регистрации частиц в современных астрофизических установках достигает нескольких тысяч кв. метров.
Расчеты были сделаны для установки, в которой используются сцинтилляционные детекторы, которые производит наша лаборатория для эксперимента "TAIGA". Установка площадью от 100 кв. метров, согласно предварительным результатам, позволила бы регистрировать от ста совместных событий в год — на берегу улавливать частицы от широкого атмосферного ливня, а в Байкальском нейтринном телескопе в толще воды — мюоны большой энергии от этого же ливня.
Если использовать установку площадью 500-600 кв. метров, то количество зарегистрированных совместных событий будет достигать десятков тысяч ежегодно. Из расчетов видно, что данная зависимость нелинейная, потому что с ростом площади детекторов понижается порог регистрации частиц, что напрямую влияет на статистику регистрируемых событий, рассказал Евгений Кравченко.
Результаты данных расчетов были опубликованы в журнале "Экспериментальная теоретическая физика" (18+) (Towards Baikal-Top: Feasibility Study of an Onshore Detector System for the Joint Registration of EAS with Baikal-GVD) в 2026 году.
Далее ученые работали над детализацией проведенного моделирования с описанием возможных детекторов и разброса по энергии атмосферных ливней. Евгений Кравченко в своем докладе на Всероссийской конференции по космическим лучам (18+) подчеркнул, что полученные и опубликованные оценки были очень консервативными. Не исключено, что количество регистрируемых частиц, особенно для малых площадей детекторов, в реальности будет приблизительно в 10 раз больше, чем было получено при первых расчетах, что свидетельствует о том, что такого типа эксперимент может ожидать достаточно быстрый старт. В настоящее время ученые проверяют результаты и планируют подготовить обновленную более детальную публикацию.
Предложенная учеными НГУ установка представляет интерес не только для калибровки Байкальского нейтринного телескопа. Объект может применяться для проведения других исследований в области астрофизики и физики элементарных частиц, например, позволит продвинуться в решении так называемой мюонной загадки, которая представляет собой расхождение между реальными данными наземных детекторов и теоретическими расчетами, при которых мюонов в широких атмосферных ливнях оказывается на 30–60% больше, чем предсказывают существующие физические модели.
"Во многих экспериментах с регистрацией широких атмосферных ливней при больших энергиях наблюдается избыток частиц — так называемых мюонов, — которые не подтверждаются в рамках существующих теоретических моделей, заложенных в соответствующие программы моделирования. Чтобы детально изучить это расхождение, необходимо сразу измерять в широких атмосферных ливнях присутствие мюонов как сверхвысоких, так и высоких энергий. В этой области предложенная нами установка более привлекательна, чем пара физических установок, находящихся на Южном полюсе и задействованных в эксперименте IceCube", — сказал Евгений Кравченко.
Baikal-Top будет с меньшим количеством фона регистрировать вторичные мюоны, потому что предназначена для улавливания не вертикальных, а наклонных атмосферных ливней. Это значит, что систематическая ошибка будет меньшей, что поможет проверить модели адронизации, которые используются в программах моделирования. В свою очередь, это даст дополнительную экспериментальную информацию для теоретических исследований в области энергии, которые недоступны на ускорителях частиц, в том числе на Большом адронном коллайдере.
Для улавливания широких атмосферных ливней ученые НГУ предлагают использовать сцинтилляционные детекторы, разработанные для эксперимента "TAIGA". Именно этими детекторами оснащена установка для регистрации широких атмосферных ливней. В данных датчиках используются комплектующие исключительно отечественного производства.
Внутри герметичного корпуса расположены сцинтилляционные пластины на основе полистирола. Заряженная частица, попадая на них, производит вспышку, далее свет попадает на переизлучатель-световод и выводится на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), откуда и считывается специализированной электроникой. В конструкции детектора используется ФЭУ с малой площадью фотокатода — это заметно уменьшает стоимость прибора, так как от размера ФЭУ зависит его цена.
Евгений Кравченко уверен, что решать проблему с импортозамещением оборудования не придётся, так как при создании сцинтилляционных детекторов ученые изначально ориентировались на отечественные материалы и разработки. Установка площадью 100 кв. метров уже эффективно работает в эксперименте "TAIGA". Аналогичную электронику применяют в проекте Baikal-GVD, и, по мнению ученых, она способна очень точно синхронизировать по времени работу станций Baikal-GVD и Baikal-Top. Синхронизация по времени позволяет восстановить большие наклонные события такого типа.
Учёные планируют прорабатывать различные физические задачи: установить, с какой точностью данная установка позволит провести соответствующую калибровку угла направления по совместным событиям и т.д.
Для исследования адронных моделей широких атмосферных ливней учёным необходимо определить, какие статистические данные и критические параметры важно учитывать в дальнейшей работе. Но данная задача, по мнению Евгения Кравченко, вполне решаема и достаточно интересна и перспективна.
Нейтринный телескоп на Байкале. Фото: Пресс-служба Новосибирского государственного университета
Фото: Пресс-служба Новосибирского государственного университета
