Китай побудує найбільший у світі підводний телескоп для полювання за “примарними частинками”

Новий глибоководний нейтринний телескоп буде в 10 тисяч разів чутливішим за найбільшу на сьогодні нейтринну обсерваторію IceCube, розташовану в Антарктиці на станції Амундсен-Скотт.

Космічні промені – потоки заряджених частинок, частина з яких – з дуже високими швидкостями та енергіями. Вони приходять із космічного простору і постійно бомбардують атмосферу Землі з усіх боків. Через понад 100 років після їх відкриття австрійським фізиком Віктором Гессом (за це він отримав Нобелівську премію 1936 року) вчені досі не можуть остаточно пояснити їхню природу. Невідомо, як і де найбільш високоенергетичні з цих частинок отримують настільки величезні енергії.

Але фізики впевнені, що космічні промені несуть високоенергетичні нейтрино (у перекладі з італійської – “нейтрончик”) – найдрібніші елементарні частинки, що не змінюють напряму свого руху, не розпадаються і не поглинаються міжзоряним середовищем. Вони можуть проходити крізь земну атмосферу і Землю, не реагують на магнітне поле.

Космічні промені в основному складаються з протонів. Коли протони стикаються з ядрами атомів, наприклад під час взаємодії променів з активними ядрами галактик, околицями чорних дір, пульсарами, народжуються мезони. У результаті розпаду мезонів виникають космічні нейтрино високих енергій. Крім того, ще один тип нейтрино може з’являтися під час потрапляння космічних променів в атмосферу нашої планети. Зіткнення протонів з атомами повітря народжує заряджені піони, які розпадаються серед іншого на високоенергетичні мюонні нейтрино.

У нейтрино немає заряду, але є невелика маса, яка не перевищує 0,8 електронвольта. Для порівняння, маса електрона – 511 тисяч електронвольт. Для “нейтрончика” начебто не існує перешкод: вони легко проникають крізь предмети, людей і планету. Крім цього, нейтрино практично не взаємодіють із речовиною, а отже, такі частинки досить складно “зловити”. Ось чому їх називають “примарними”.

Кілька десятиліть тому вчені виявили, що коли нейтрино проходять крізь Землю, вони можуть слабко взаємодіяти з молекулами води та на великих глибинах створювати “побічні продукти” – потоки мюонів, які випускають черенківське випромінювання у вигляді блакитного світіння під строго певним кутом. Вивчаючи ці “спалахи”, фізики можуть визначити напрямок руху мюона і його енергію, а отже, і джерело нейтрино.

Саме для цих цілей дослідники будують телескопи або під водою, або під землею, але з величезними резервуарами води. Великий обсяг води дає змогу збільшити простір, через який може пройти нейтрино. Вона має бути чистою, щоб виключити домішки, які здатні вплинути на процес прольоту нейтрино і його реєстрацію. Зазвичай такі системи являють собою детектори – просторові решітки фотопомножувачів, що дають змогу реєструвати черенковське світло.

Зазначимо, що нейтрино можуть народжуватися не тільки поблизу масивних чорних дір, під час вибухів наднових, в активних ядрах галактик, а й у надрах Сонця, Землі, в атмосфері, навіть у ядерних реакторах. Вчених найчастіше цікавлять саме космічні нейтрино, тобто нейтрино надвисоких енергій, тому що вони несуть інформацію про далекі астрономічні об’єкти.

Щоб виділити з цих потоків найдрібніших елементарних частинок космічні нейтрино, необхідні величезні детектори, в яких в якості “робочого матеріалу” виступають великі обсяги води або льоду. Найбільший на сьогодні нейтринний телескоп – IceCube, що являє собою масив оптичних детекторів, вбудованих у товщу антарктичного льоду. Його запустили 2010 року, робочий об’єм становить один кубічний кілометр. За час роботи IceCube виявив нейтрино надвисоких енергій (імовірно, вони виникли за межами Сонячної системи), а також дозволив створити першу нейтринну карту Чумацького Шляху.

Нейтринна обсерваторія IceCube, побудована на антарктичній станції Амундсен-Скотт / © Wikimedia

Днями стало відомо, що свій глибоководний нейтринний телескоп нового покоління збирається побудувати Китай. Про це розповіли китайські вчені з Шанхайського університету Цзяо Тун. Робота з описом телескопа опублікована в журналі Nature Astronomy.

Для установки, яку назвали Trident, уже вибрали місце – Південно-Китайське море, не так уже й далеко від екватора (за 540 кілометрів на південь від Гонконгу). Телескоп розмістять на плоскому морському дні на глибині 3,5 кілометра.

“Оскільки наша система перебуватиме недалеко від екватора, під час обертання Землі вона зможе вловлювати нейтрино з усіх боків. Це дасть нам змогу вести спостереження без будь-яких сліпих зон”, – пояснив керівник проєкту Цзін Іпен.

Китайська установка складатиметься з понад 24 тисяч оптичних датчиків (у IceCube їх близько п’яти тисяч), розташованих у 1211 вертикальних “струнах”, кожна довжиною 700 метрів. Ці датчики реєструватимуть черенковське світло, що випускається мюонами, які виникають під час зіткнення нейтрино й атомів водню або кисню в молекулах води.

Trident розмістять у вигляді мозаїки Пенроуза. Робочий об’єм телескопа становитиме приблизно 7,5 кубічного кілометра, він скануватиме морську воду в пошуках слідів взаємодій нейтрино надвисоких енергій. Trident буде в 10 тисяч разів чутливішим за систему IceCube. Термін служби установки розрахований на 20 років, а побудують її до 2030 року. До слова, роботи з будівництва глибоководного нейтринного телескопа вже почалися.

На думку авторів проєкту, Trident допоможе вирішити вікову загадку походження космічних променів, перевірити просторово-часові симетрії, знайти квантову гравітацію і побічно виявити темну матерію.