Mata Angkasa Baikal

Mata Angkasa Baikal

"Dalam dunia sains" №5, 2008

Menurut perbualan dengan Gregory Domogatsky merakamkan wartawan khas "Dalam dunia sains" Vasily Yanchilin.


Untuk mengetahui di mana proses yang paling luar biasa berlaku di Alam Semesta, para penyelidik dengan teliti mempelajari kedalaman tasik Siberia.


Pada tahun 1920-an. didapati bahawa dengan beberapa peluruhan radioaktif undang-undang pemuliharaan tenaga tidak berpuas hati Sepuluh tahun kemudian, ahli fizik Swiss, Wolfgang Pauli, mencadangkan bahawa tenaga yang hilang itu terbawa oleh zarah neutral yang tidak diketahui, yang mempunyai kuasa menembusi yang tinggi, kemudian dipanggil neutrino.

Pauli percaya bahawa dia telah melakukan sesuatu yang tidak sesuai dengan seorang ahli fizik teori: dia menyifatkan kewujudan objek hipotetis yang tidak ada yang dapat dijumpai, berdebat walaupun dengan temannya, ahli astronomi Walter Baade, bahawa neutrino tidak akan didaftarkan secara eksperimen. Pauli bernasib baik, dia kehilangan hujah: pada tahun 1956, ahli fizik Amerika C. Cowan dan F. Reines "menangkap" zarah yang sukar difahami.

Apakah kegunaan teleskop neutrino? Mengapa membuat usaha luar biasa untuk menangkap zarah sukar difahami, jika sejumlah besar maklumat di Bumi disampaikan oleh gelombang elektromagnet biasa?

Semua benda angkasa tidak telus kepada radiasi elektromagnetik, dan jika para saintis ingin melihat kedalaman matahari, bumi, teras galaksi (ini adalah proses yang paling menarik), hanya neutrino boleh membantu dalam hal ini.

Sebilangan besar zarah-zarah tersebut datang kepada kita dari Matahari, di mana mereka dilahirkan semasa transformasi termonuklear hidrogen menjadi helium, oleh itu semua teleskop neutrino pada abad kedua puluh. telah memberi tumpuan kepada kajian luminer kami. Peringkat awal penyelidikan neutrino solar telah selesai, dan langkah-langkah pertama telah diambil untuk mengkaji fluks dan spektrum zarah yang datang kepada kami dari perut bumi, di mana mereka dilahirkan dari pereputan uranium, torium dan unsur-unsur radioaktif yang lain. Tenaga ciri-ciri proses tersebut adalah ratusan ribu dan jutaan volt elektron per zarah.


Pada tahun 1994, neutrino bawah air pertama di dunia telah direkodkan.


Pada tahun 1960, ahli fizik teori Soviet, ahli akademik M. A. Markov mencadangkan penggunaan takungan air semulajadi untuk menangkap zarah sukar difahami. Semua bahan planet kita adalah pengesan gergasi untuk mendaftarkan neutrinos. Tiba kepada kita dari ruang angkasa, sesetengah daripada mereka berinteraksi dengan atom-atom individu Bumi, memindahkan kepada mereka sebahagian daripada tenaga mereka, serta maklumat berharga tentang proses yang berlaku di bahagian-bahagian yang berlainan di Universe.Ia hanya perlu untuk dapat "melihat" ia, dan cara yang paling mudah untuk melakukan ini adalah dengan memerhatikan jumlah besar air laut.

Pada tahun 1970-an Ahli fizik Amerika, Soviet, dan fizik Jepun, ahli astronomi, jurutera, dan ahli laut mengevaluasi tempat yang berpotensi sesuai di dasar lautan, mempelajari bagaimana untuk menempatkan peralatan dalam air, dan menguji pelbagai jenis penerima optik. Akibat tahun penyelidikan, lokasi optimum dipilih – rantau Pasifik berhampiran Kepulauan Hawaii, di mana kedalaman melebihi 5 km. Projek itu dinamakan DUMAND (Underwater Deep Muon dan Neutrino Detector, pengesan air dalam muons dan neutrino).

Permulaan kerja pada rendaman peralatan saintifik di dasar lautan dijadualkan pada musim bunga 1981. Tetapi ternyata tidak begitu mudah untuk menurunkan ribuan penerima optik ke kedalaman kilometer jauhnya, menjaga mereka dalam rangka kerja dan pada masa yang sama menerima dan memproses isyarat yang berasal dari mereka. Malangnya, atas sebab-sebab teknikal, projek itu tidak pernah dilaksanakan.

Walau bagaimanapun, pada tahun 1990-an. Para saintis masih melihat jejak partikel-partikel sukar dibina yang ditinggalkan oleh mereka di bawah satu kilometer air. Acara ini tidak berlaku di tengah-tengah Lautan Pasifik, tetapi di Siberia, di selatan Wilayah Irkutsk.

Kembali pada tahun 1946Bruno Pontecorvo mencadangkan projek teleskop pertama untuk merakam neutrino solar. Pada masa itu, beberapa orang percaya bahawa ia boleh dilaksanakan dalam amalan, kerana untuk "menangkap" sekurang-kurangnya satu zarah, jisim pengesan itu harus puluhan tan.

Astrofizik Neutrino mula berkembang di Siberia

Pada akhir 1970-an. Saintis Soviet, ahli akademik, doktor sains fizik-matematik A.E. Chudakov mencadangkan menggunakan Lake Baikal untuk pengesanan neutrino. Ini takungan semula jadi yang unik air tawar, kerana ia ternyata, adalah sesuai untuk tugas ini. Pertama, kerana kedalamannya, yang melebihi 1 km; kedua, kerana ketelusan air paling tulen, iaitu sekitar 22 m; ketiga, kerana fakta bahawa pada kedalaman yang besar sepanjang tahun suhu tetap berterusan – 3.4 ° C; dan yang paling penting, di musim sejuk tasik ditutup dengan lapisan tebal ais, yang mana ia sangat mudah untuk menurunkan peralatan saintifik di bawah air.

Pembinaan teleskop bermula pada tahun 1990, dan pada tahun 1994 neutrino bawah air pertama di dunia telah direkodkan. Hari ini, projek antarabangsa ini melibatkan penyelidik dari Institut Penyelidikan Nuklear Akademi Sains Rusia,Institut Penyelidikan Ilmiah Fizik Nuklear, Universiti Negeri Moscow, Institut Penyelidikan Nuklear Bersama, Universiti Teknikal Marinir St. Petersburg, Universiti Teknikal Nizhny Novgorod, Pusat Penyelidikan Rusia "Institut Kurchatov", Institut Acoustical. A.A. Andreeva, Pusat Penyelidikan Synchrotron Elektronik Jerman (DESY). Projek ini diketuai oleh Grigori Vladimirovich Domogatsky, Ketua Laboratorium Tenaga Tinggi Neutrino Astrophysics Institut Penyelidikan Nuklear Akademi Sains Rusia, Doktor Fizik dan Matematik.

Asas teleskop neutrino terdiri daripada photomultipliers yang direka khas untuknya, diletakkan dalam sfera kaca yang menahan tekanan melebihi 100 atm. Mereka dipasang berpasangan pada kabel kargo yang direka khas untuk eksperimen ini dan diturunkan ke dalam air melalui lubang ais. Panjang kabel melebihi kilometer. Dari bawahnya ia dibaiki dengan bantuan sauh berat, dan pelampung (raksasa "mengapung") menariknya. Akibatnya, semua "garland" ini mengambil kedudukan tegak, dengan pelampung paling tinggi terletak pada kedalaman 20 m.Pengoperasian photomultipliers disegerakkan dengan bantuan sumber cahaya laser, yang pada selang tertentu "menyala" air Baikal di dalam pengesan. Pencahayaan berdenyut berkala ini memainkan peranan sejenis "setem masa" dalam analisis maklumat yang diterima daripada fotomultipliers. Selain itu, di bahagian bawah pada jarak 600 m dari pusat pengesan, sensor akustik adalah tetap, yang melihat melalui keseluruhan isipadu dengan gelombang bunyi dan mencatat pengayun sedikit fotomultipliers.

Pembinaannya adalah modular; menambah kalungan baru kepada yang sedia ada, anda boleh meningkatkan jumlah pengesan kerja. Sehingga kini, 11 garland beroperasi, dan jisim pengesan yang berkesan adalah lebih kurang 20 Mt Menjelang 2012, ia dirancang untuk menaikkannya kepada 300 Mt, dan pada tahun 2016 teleskop perlu mencapai kapasiti reka bentuk yang hampir dengan 1 Gt, yang bersamaan dengan jumlah 1 km3. Oleh itu, projek abad yang lalu menjadi kenyataan.

Penyerapan sumber cahaya dalam air berdasarkan laser gas dan dua modul kawalan elektronik pengesan. Imej "Dalam dunia sains"

Kami menangkap neutrino

Bagaimanakah pendaftaran neutrino berlaku? Pertama, zarah boleh bertindak balas dengan bahan dalam jumlah yang dikelilingi oleh festoons (walaupun kebarangkalian peristiwa sedemikian sangat kecil). Kedua, ia boleh berinteraksi dengan nukleus beberapa atom yang berada dalam lingkungan radius beberapa kilometer dari pengesan (di dalam air atau dalam tanah di bawah pemasangan) dan menghasilkan muon bertenaga tinggi, yang kemudiannya terbang di dekat garland. Dalam kes ini, jumlah pengesan berkesan meningkatkan sepuluh kali ganda, tetapi masalah timbul: bagaimana membezakan muung neutrino dari atmosfera, yang timbul di bawah tindakan sinar kosmik?

Apabila sinaran kosmik mencapai Bumi, mereka berinteraksi dengan nukleus atom yang terletak di atmosfera atas. Pada masa yang sama, hujan sinaran kosmik menengah, kebanyakan zarah asas yang tidak stabil, dilahirkan. Semuanya cepat reput – dengan pengecualian muons, yang mempunyai kuasa menembusi tinggi, hidup untuk 1 μs dan pada masa ini mereka berjaya terbang beberapa kilometer ketebalan bumi, mengganggu kerja makmal bawah tanah.

Pada pandangan pertama, ini nampak aneh, sejakbergerak pada kelajuan cahaya, muon untuk satu juta orang kedua dapat terbang tidak lebih dari 300 m Tetapi sebenarnya adalah dengan kecepatan tinggi undang-undang teori khas relativiti berkuat kuasa. Muon hidup untuk 1 μs dan lalat 300 m dalam kerangka rujukannya sendiri, dan di dalam bingkai makmal ia boleh hidup selama beberapa mikrosecond dan terbang beberapa kilometer. Pemerhatian terhadap zarah-zarah yang tidak stabil pada kedalaman kilometer adalah pengesahan langsung terhadap peluasan masa relativistik, tetapi muon tidak mampu terbang puluhan kilometer batu. Oleh itu, terdapat cara yang boleh dipercayai untuk membezakan muung neutrino dari atmosfera.

Photomultipliers, yang kerja disegerakkan oleh laser, mendaftarkan cahaya yang jatuh pada mereka. Kemudian komputer memecahkan maklumat yang diterima dan sebagai hasilnya mengembalikan trek zarah-zarah yang menghasilkan cahaya ini. Trajektori yang pergi dari atas ke bawah atau secara mendatar dibuang. Hanya muons yang datang dari bawah ufuk diambil kira. Terdapat satu penjelasan untuk proses ini: neutrino tenaga tinggi, terbang melalui Bumi, berinteraksi dengan nukleus atom yang berada dalam jarak beberapa kilometer pengesan, dan muon bertenaga tinggi dilahirkan.Ia adalah orang yang mencapai pengesan dan, bergerak dalam air pada kelajuan relativistik, memancarkan foton Cherenkov. Seperti yang dilihat oleh pemerhatian, kira-kira 2 juta muons yang tiba dari atas, hanya ada satu berlepas dari bawah ufuk.

Skim umum teleskop neutrino dalam air

Pengesan NT-200. 36 tambahan OM pada tiga kalungan jauh. Imej: "Dalam dunia sains" Oleh kerana tenaga zarah yang dikesan meningkat, jumlah pengesan berkesan meningkat. Imej: "Dalam dunia sains"

Siapa di antara kamu dari dalam ruang?

Untuk keseluruhan tempoh operasi teleskop Baikal, kira-kira 400 peristiwa yang dihasilkan oleh neutrinos tenaga tinggi dicatatkan, tetapi hampir semuanya adalah atmosfera. Dalam hal ini, perlu dibezakan dari pelbagai peristiwa yang dimiliki oleh neutrino yang datang dari ruang dalam, kerana ia adalah kepentingan saintifik yang paling besar.

Setengah abad yang lalu, pendaftaran neutrinos atmosfera di lombong-lombong India yang mendalam adalah satu pencapaian saintifik yang luar biasa, tetapi dalam pengesan bawah air mereka mewakili latar belakang yang mengganggu pemerhatian. Neutrinos atmosfera, yang banyak dijana oleh sinaran kosmik di atmosfera atas,membawa maklumat hanya mengenai sinar kosmik, dan saintis berminat untuk mempelajari sumber-sumber neutrino yang terletak di luar sistem suria.


Asas teleskop neutrino terdiri daripada fotomultipliers yang diletakkan dalam sfera kaca yang menahan tekanan lebih daripada 100 atmosfera.


Muon bergerak hampir ke arah yang sama (dalam satu darjah) sebagai neutrino tenaga tinggi yang menghasilkannya. Penentuan trajektori di dalam pengesan berlaku dengan ralat 1-2 °. Akibatnya, teleskop menentukan tempat di sfera langit yang neutrino telah diterbangkan, dengan kesilapan total kira-kira 3 °. Neutrinos atmosfera tiba di kita secara rata-rata secara merata dari semua pihak, tetapi di suatu tempat di Universe mesti ada sumber-sumber tempatan neutrino kosmik. Ini boleh menjadi quasar, nukleus galaktik aktif, berkembang pada kelajuan yang sangat besar cangkang supernova. Pucuk sinar gamma misterius juga boleh menjadi sumber yang sama.

Salah satu tugas utama teleskop Baikal ialah mengasingkan sumber neutrino kosmik dari latar belakang, menentukan lokasi mereka di langit, dan kemudian cuba mengenalinya dengan objek optik yang boleh dikaji menggunakan teleskop biasa.

Untuk menyelesaikan masalah ini, anda perlu mendaftarkan jumlah neutrino yang cukup banyak dan menentukan titik-titik di ruang angkasa, dari mana mereka datang. Di kawasan-kawasan di mana objek yang aktif memancarkan neutrinos terletak, akan ada peningkatan tempatan dalam aliran zarah-zarah ini berbanding dengan latar belakang.

Setakat ini tiada siapa yang tahu apa kuasa dan ketumpatan sumber tersebut. Pada akaun ini terdapat hanya hipotesis dan andaian. Inilah yang menjadikan teleskop Baikal menarik, kerana ia dapat memberikan jawapan percubaan kepada soalan-soalan tersebut.

Pada jarak beberapa kilometer dari pemasangan (di dalam air atau dalam tanah di bawah tanah), neutrinos tenaga tinggi berinteraksi dengan nukleus atom dan menghasilkan muon, yang kemudian direkodkan oleh pengesan. Imej "Dalam dunia sains"

Selaraskan fluks neutrino

Sumber tenaga neutrino kosmik bertenaga tinggi yang kuat dan lemah yang terletak di jarak yang berbeza dari kita harus menjana apa yang dipanggil fluks zarah yang tersebar. Tidak diketahui apa yang sama dengan ketumpatannya dan ia tidak jelas bagaimana secara teorinya mengira ia. Penentuan eksperimen magnitud fluks resin juga merupakan salah satu tugas utama teleskop Baikal.

Pada pandangan pertama mungkin kelihatan mustahil untuk melakukan ini. Bagaimana untuk memilih isyarat lemah zarah yang seragam yang datang kepada kami dari semua titik alam semesta terhadap latar belakang kuat neutrino atmosfera? Dan adakah isyarat seperti ini?

Dari suatu tempat di sudut-sudut terpencil Alam semesta, sinar kosmik tenaga ultrahigh mencapai kita. Sudah jelas bahawa mereka tidak dilahirkan di ruang yang benar-benar kosong: sumber-sumber mereka berada dalam beberapa persekitaran. Berinteraksi dengan atomnya, sinar kosmik tenaga tinggi menghasilkan neutrinos tenaga superhigh. Kemudian zarah-zarah berselerak di seluruh ruang, termasuk bergerak ke Bumi.

Sinar kosmik tenaga ultrahigh berinteraksi dengan foton relik dan tidak dapat mencapai Bumi, menjimatkan tenaga mereka. Hanya neutrinos yang mampu ini. Oleh itu, jika proton datang kepada kita dengan tenaga 1019 eV, maka neutrinos dapat terbang dengan lebih banyak tenaga, tetapi dengan apa yang spesifik, ia masih tidak diketahui.

Untuk menyelesaikan masalah ini dengan pengesan bawah air, adalah perlu untuk mengukur magnitud jumlah fluks semua insiden neutrinos di Bumi, bergantung pada tenaga mereka.Jika beribu-ribu dan berjuta-juta GeV, maka neutrino atmosfera akan berlaku di sana. Pada tenaga yang tinggi, jumlah mereka akan mula berkurangan dengan mendadak, kerana ia dihasilkan oleh sinar kosmik, keamatannya dengan cepat berkurang dengan peningkatan tenaga, cenderung kepada sifar pada tenaga di atas 1019. Oleh itu, aliran neutrinos atmosfera akan cenderung kepada sifar.

Parameter kosmik sinar diketahui, jadi mungkin untuk mengira spektrum neutrinos atmosfera yang dihasilkan oleh mereka. Membandingkannya dengan spektrum zarah yang diperhatikan menggunakan teleskop Baikal, seseorang boleh menentukan perbezaannya, yang akan mencirikan nilai fluks neutrino tersebar kosmik. Pada masa ini, komposisi spektrum neutrino ditentukan sehingga tenaga 1014 eV. Ia hampir sepenuhnya bertepatan dengan atmosfera, dan, oleh itu, latar belakang kosmik yang tersebar di rentang ini boleh diabaikan. Dengan peningkatan tenaga yang lebih tinggi (dan ini akan menjadi mungkin apabila jumlah pengesan meningkat beberapa kali), aliran neutrinos atmosfera seharusnya lebih kurang daripada latar belakang kosmik yang tersebar. Tetapi dengan tenaga apa ini akan berlaku – 1015 eV atau lebih – dan saintis perlu mengetahui.

Pada tahun 1931Paul Dirac memperkenalkan zarah yang luar biasa kepada fizik – monopole magnet. Seorang saintis Inggeris dapat membuktikan bahawa kewujudan sekurang-kurangnya satu muatan magnetik akan dengan segera menerangkan fakta kuantisasi caj elektrik yang tidak dapat difahami. Sehingga kini, segala usaha untuk menemui zarah eksotik berakhir dengan kegagalan. Tetapi jika terdapat caj magnet, maka, bergerak dalam bahan, ia akan memancarkan gelombang elektromagnetik. Dan jika peristiwa langka ini berlaku berhampiran pengesan Siberia, maka monopole akan dikesan

Sisi gelap alam semesta

Hari ini, kebanyakan astronom percaya bahawa sebahagian besar alam semesta jatuh pada apa yang disebut perkara gelap. Ia tidak "memberi" dirinya dengan apa-apa cara, kerana ia tidak mengambil bahagian dalam sebarang interaksi, kecuali graviti. Oleh itu, diandaikan bahawa ini adalah beberapa zarah yang stabil dan lemah berinteraksi dengan jisim yang cukup besar yang tidak diketahui oleh sains. Jika tidak, mereka akan ditemui lama dahulu pada pemecut moden. Sekiranya demikian, maka zarah-zarah tersebut harus "terkumpul" dalam medan graviti yang kuat – berhampiran dan di dalam badan-badan besar. Sebagai contoh, harus ada banyak di dalam Bumi, di mana mereka boleh bergerak secara bebas melalui perkara,hampir tidak ada interaksi dengannya. Dalam kes ini, penghapusan zarah dan antipartikel kadang-kadang boleh berlaku. Akibatnya, neutrinos dan antineutrinos tenaga tinggi perlu dilahirkan. Tugas teleskop Baikal adalah untuk mendaftarkan isyarat dari peristiwa tersebut, atau untuk menetapkan had atas kepadatan benda gelap.

Lokasi yang dirancang tiga teleskop neutrino dalam air Eropah. Imej "Dalam dunia sains"

Tetingkap baru

Kegagalan projek antarabangsa DUMAND menyebabkan pesimisme di kalangan saintis. Nampaknya pembinaan pengesan bawah laut raksasa menghadapi masalah teknikal yang tidak dapat diatasi. Teleskop Baikal yang diperolehi tidak meninggalkan kesan ketakutan seperti itu. Ia menjadi jelas bahawa neutrinos tenaga ultra tinggi, yang datang kepada kita dari angkasa yang dalam dan membawa mereka "maklumat eksklusif", boleh dirakam menggunakan takungan air semulajadi.

Pada separuh kedua tahun 1990-an. atas inisiatif saintis Amerika, pengesan neutrino AMANDA dibina di Antartika, dekat Kutub Selatan. Kebaharuannya ialah photomultipliers dipasang pada kedalaman yang hebat bukan di dalam air, tetapi di dalam ais.Pertama, ternyata, ketelusan es Antartika mencapai 100 m, yang merupakan kejutan yang menyenangkan bagi saintis. Kedua, bunyi termal yang sangat rendah photomultipliers pada suhu -50 ° C secara dramatik meningkatkan syarat-syarat untuk mendaftarkan isyarat cahaya yang sangat lemah. Neutrino subglacial pertama dicatatkan pada tahun 1996. Penciptaan pengesan di Kutub Selatan Kiub ais dengan jumlah sensitif hampir 1 km3.

Oleh itu, pada masa ini, dua pengesan raksasa neutrinos ultrahigh-tenaga sudah pun berfungsi. Di samping itu, negara-negara Eropah memutuskan untuk memperoleh teleskop laut mereka sendiri. Pembinaan pengesan ANTARES dengan jumlah kerja yang setanding dengan pengesan Baikal dan Antartika yang sedia ada sepatutnya siap pada tahun ini berhampiran pantai Perancis. Semua ini menegaskan keyakinan bahawa dalam 10-20 tahun astrofizik neutrino tenaga superhigh akan menjadi alat yang berkuasa untuk mengkaji Alam Semesta.

Fluks neutrino kosmik adalah saluran baru di mana kita boleh menerima maklumat mengenai struktur Alam Semesta. Pada masa ini, hanya tetingkap kecil dengan lebar beberapa MeV terbuka di dalamnya. Kini terdapat pembukaan tingkap baru di bidang tenaga tinggi dan ultra tinggi.Apa yang akan kita lihat melalui dia dalam masa terdekat tidak diketahui, tetapi pasti ia akan membawa kita banyak kejutan.

Kesusasteraan tambahan:
1) Domogatsky G.V., Komar A.A., Chudakov A.E. Eksperimen bawah tanah dan bawah air dalam fizik dan astrofizik // Alam, 1989, № 3, ms. 22-36.
2) Berezinsky A.S., Zatsepin G.T. Kemungkinan eksperimen dengan neutrinos kosmik sangat tinggi: projek DUMAND // UFN, 1977, No. 5, ms. 3-36.
3) Lernd J., Eichler D. Teleskop neutrino dalam air (diterjemahkan dari Amerika akademik) // UFN, 1982, № 7, ms. 449-465.
4) Davis R. Setengah abad dengan neutrinos suria. (Kuliah Nobel dalam fizik – 2002) // UFN, 2004, № 4, ms. 408-417.
5) M. Koshiba. Kelahiran Neutrino Astrophysics (kuliah Nobel dalam fizik – 2002) // UFN, 2004, № 4, ms. 418-426.
6) astrofizik Bakal J. Neutrino. M: Mir, 1993.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: