Шар медленно погружался в ледяную воду. Гладкий и прозрачный, в темной проруби он практически сразу становился невидимым: чистая стеклянная сфера в чистой воде. За ним последовал второй, затем еще один. Полуметровые шары ненадолго замирали над поверхностью, переливаясь на солнце – как золотые леденцы – а затем исчезали под черным льдом.

Это могла бы быть история про артефакты, забытые иной цивилизацией, но это история про Байкальский нейтринный телескоп.

Под черным льдом Байкала, изображение №1

Что внутри золотого шара

Сфера, которую погружают в воду – это оптический модуль (ОМ), одна из базовых сборочных единиц большого конструктора под названием Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector). Она герметична и сделана из прочного боросиликатного стекла, чтобы годами сохранять от холода и давления глубин свою уязвимую начинку – фотоумножитель и электронику, которые и помогают обнаруживать нейтрино.

Когда-то открытие этих крохотных частиц заложило основу для экзотической области астрофизики – астрономии высоких энергий. Как известно, главная особенность нейтрино заключается в их «высокомерной» инертности, они практически не реагируют с веществом. Поэтому, порожденные в катастрофических явлениях нашей вселенной – в излучении блазаров или активных ядрах галактик – они, в отличие от прочих частиц, доходят до нас практически без изменений энергии и траектории. Научившись регистрировать подобные высокоэнергетичные нейтрино, мы научились смотреть очень далеко и изучать самые мощные события космоса. Красиво… но есть нюанс.

В инертности нейтрино заключается и самая большая боль для ученых: как летели они сквозь вселенную, так и через Землю спокойно пролетят и даже не оглянутся. Ловить этих ниндзя напрямую – то есть ожидать, что они сами провзаимодействуют с какими-то из наших приборов – дело неблагодарное. Поэтому, об их появлении мы научились судить косвенно. Если одно из миллиарда миллиардов нейтрино все-таки соблаговолило столкнуться с ядром атома (а это хоть и очень редко, но происходит по воле вероятности), рождаются заряженные частицы, типа мюонов. Они летят быстрее света в среде и дают короткую голубоватую вспышку – черенковское излучение. Вот это излучение и регистрирует оптический модуль.

По своей сути инопланетная гермосфера – это обычный фотодатчик: в ее нижней половине стоит фотокатод, который на многих фото и кажется золотым из-за солнечных лучей. Умножитель окружен каркасом из сплава с высокой магнитной проницаемостью, чтобы защитить его от поля Земли, и прикреплен оптическим гелем к сфере. Также внутри можно разглядеть блок питания, контроллер и светодиод, а сама сфера частично завакуумирована.

В общем, в конструкции модуля на самом деле нет ничего необычного. Его форма создана специально под требования работы на глубине для регистрации редких сигналов из космоса.

Зачем сферы погружают под воду

Топят модули по тем же причинам. Для обнаружения излучения нужна прозрачная и однородная среда, которая будет смягчать атмосферные помехи и фоновое излучение. Вода в этом плане идеальна, так как она обладает хорошей оптической прозрачностью и позволяет легко установить в ней детекторы. Так что выбор жидкой среды был очевиден с самого начала. А вот что не было очевидно, так это необходимость масштабирования «рабочего объема под наблюдением» от тонн и килотонн до кубических километров.

Чрезвычайную редкость сигналов от высокоэнергетичных нейтрино действительно можно компенсировать большей территорией поиска, но тут, к сожалению, уже не обойтись подземными баками в 50 тысяч тонн, как у японцев с их Super-Kamiokande*. Эта потребность – нужда в «повышении вероятности» – в принципе, основа всей конструкции таких телескопов. Еще в 1960-м году на конференции в США Моисей Марков предложил устанавливать высокоэнергетические телескопы в океанах и подземных озерах, несомненно значительно превышающих по объемам любые человеческие сооружения.

В качестве первой попытки реализации этой идеи выступил гавайский проект DUMAND в Тихом океане. Однако случился традиционный «блин комом» и DUMAND, будучи хорошей инициативой с реальными морскими испытаниями, полноценным телескопом так и не стал, подвела техника. У него появились короткие замыкания, протечки в корпусах, пропала связь с берегом, и проект прикрыли в 1995. Зато опыт его постройки был учтен при строительстве телескопов в следующие десятилетия, телескопов-классиков, по которым мы сейчас быстро и пробежимся.

DUMAND был первым большим океанским замахом, а Байкал — одним из первых мест, где идея природного нейтринного телескопа сыграла успешно и в долгую: байкальская программа стартовала ещё в 1980-х, а затем заработали NT-36 (с 1993 года) и NT-200 (с 1998 года). Почти параллельно на Южном полюсе рос AMANDA, ещё один яркий представитель прошлого поколения, работающий с 1990-х и до его слияния с IceCube в 2010 году. Он функционировал в гигантском объёме льда (!), и, хотя его задачи и были схожи с подводными телескопами, сам факт работы в таких условиях стал значимым достижением. А Средиземное море получило своего “классика” позже: ANTARES начал собирать данные с первых линий в 2006-м, был полностью завершён в 2008-м и проработал до февраля 2022-го — став мостом к сегодняшнему поколению морских установок.

Сегодня естественные резервуары – уже база нейтринной астрономии, и новые установки являются логичным продолжением своих предков. На юге планеты круглогодично слушает космос IceCube в антарктическом льду, в Байкале работает и разрастается Baikal-GVD, а в Средиземном море KM3NeT строится на ходу и при этом уже набирает данные. Так что да, порой под водой можно встретить не только морских чудовищ и затонувшие корабли, но и телескопы – так люди выкрутились из ситуации с ужасной неуловимостью нейтрино.

Бусины на нитке

Из-за «неуловимости» в том числе под лед отправляется по несколько связанных оптических модулей. Во-первых, для повышения вероятности регистрации частиц, а во-вторых, для точности обнаружения. Сферы, как бусины, нанизаны на стальной трос и образуют гирлянду или струну, которая устанавливается в воде с помощью якоря и буя. Она состоит из трех секций по 12 ОМ и особого центрального электронного модуля (ЦЭМ) в середине каждой секции. ЦЭМ – это вычислитель, собирающий сигналы от своих подчиненных ОМ.

Рабочая часть струны с модулями расположена на глубине от 750 м до 1275 м, а буй вытягивает трос вертикально до тридцатиметровой глубины, поэтому струны безопасны для обитателей и людей, они начинаются слишком глубоко от поверхности. Установка гирлянды в водной среде позволяет снимать данные с нескольких точек пространства на разных глубинах, повышая точность и направление регистрации.

Тем временем, на поверхности скрипят лебедки – барабаны опускают струну на дно. Озеро на время экспедиции становится монтажной площадкой: ставятся деревянные настилы, на льду виднеются ящики с модулями, кабели питания, а вдалеке – буханки и грузовики, которые везут людей и оборудование.

Струну нельзя просто скинуть в воду, её надо опускать управляемо, с постоянным контролем, чтобы трос не перекрутился, чтобы тяжёлый якорь ушёл вниз ровно туда, где он должен лечь на дно, а модули потом встали на расчётных глубинах. Сначала трос с якорем опускают до дна, давая ему “снять” лишнее кручение, а потом подтягивают обратно и уже по меткам собирают на нём всю последовательность модулей – так меньше риск получить перекосы, которые потом годами будут мешать и механике, и геометрии детектора.

После установленной первой струны в дело пойдут ещё семь – и вместе они соберутся в новый кластер телескопа.

Под черным льдом Байкала, изображение №8

Струна + струна + струна…

Кластер – это независимый сноп из струн телескопа: восемь вертикальных гирлянд, где одна струна стоит в центре, а остальные семь – по окружности. По проектной геометрии расстояние между струнами внутри кластера порядка 60 метров, а соседние кластеры стоят уже намного дальше друг от друга – примерно в 300 метрах между центрами. Один такой блок можно запускать, обслуживать и наращивать отдельно от остальных, не требуя перестройки всего массива сразу.

Под черным льдом Байкала, изображение №9

Следы машин тянутся от прорубей к берегу, над кабелями, которые связывают струны с местом, где телескоп собственно и становится телескопом. На берегу, на 106 километре Кругобайкальской железной дороги у Baikal-GVD есть свой дом. На крохотной станции «Ивановка» располагается камерная научная база, где на одном из рабочих вагончиков для проживания виднеется забавная надпись: «Штаб «Кафе». Время работы: с февраля по апрель».

Именно на берегу сходятся линии питания и данных, именно там сигналы от подводных модулей впервые превращаются в поток цифровых данных, который можно анализировать, проверять и калибровать. Сферы, тросы, струны, якоря – все это механика. Да, на льду происходит установка и техобслуживание телескопа, самая узнаваемая и долгожданная часть работы, а вот методичная, и порой, муторная обработка информации – дело компьютеров и людей на земле.

Но давайте, наконец, соединим все части вместе и посмотрим, как оживает Baikal-GVD.

Подводный монстр – как работает телескоп

Один из оптических модулей “щёлкнул”: фотоумножитель внутри сферы увидел короткую вспышку света в воде. Тусклую, неуловимую для человеческого глаза, но заметную для чувствительного прибора. Фотоны попали на фотокатод, фотоумножитель выдал электрический сигнал.

Так начинается работа телескопа.

Первым делом сигнал из оптического модуля (ОМ) попадает в центральный электронный модуль (ЦЭМ) секции на струне – в ее мозг. В этот момент система ещё не уверена, что случилось нечто важное, потому что одиночных щелчков в воде полно. Что тут говорить, если сама вода может засвечивать модули люминесценцией, и порой шум достигает десятков килогерц. Поэтому один модуль ещё никого не убеждает.

Убедить систему может совпадение. Если почти одновременно – в окне порядка сотни наносекунд – срабатывают два соседних модуля на струне, это уже похоже на реальный черенковый свет от частицы, которая прошла рядом. Секция струны фиксирует: да, кажется, это не просто шум, надо бы проверить.

Но секция всё ещё не принимает решение сама, она отправляет запрос к центральному модулю кластера (CCM) – туда, где сходятся все струны. Центр поднимает тревогу для всей структуры: подтверждает блокадный триггер и рассылает общую команду для записи данных. В этот момент у события появляется главное – метка во времени, одна на весь кластер, и именно она потом позволит сложить разрозненные “щелчки” в единую геометрию.

Получив подтверждение, каждая секция в струнах начинает снимать показания, как будто была предупреждена заранее. Продолжительность светового сигнала – микросекунды, а работа электроники быстрее, поэтому секции по тревоге начинают формировать пакет данных в заданное время – где-то в течение 5 микросекунд. Так в запись попадают не только те два модуля, которые всполошили центр, но и остальные секции и струны, которые могли видеть слабые отголоски той же вспышки.

Дальше событие уходит на берег. Из центра кластера данные по электрооптической линии передаются на береговую станцию и сохраняются как сырая информация. Это все еще только лишь сбор информации, пока что лишь ясно, что “в такое-то время в таких-то датчиках были такие-то импульсы”. Почти что бухгалтерская отчетность.

И только потом начинается, собственно, настоящая астрономия – в анализе данных. Программа берет времена прихода света и амплитуды срабатываний и пытается восстановить, что могло произойти в воде так, чтобы дать именно такую картину. Если свет растянут вдоль линии относительно нескольких ОМ – значит, вероятно, прошёл мюон и оставил длинный трек. Если вспышка компактная и “шаровая” – значит, произошёл каскад, то есть ливень частиц. В обоих случаях происходит выстраивание геометрии пролета частиц по полученным данным: кто увидел первым, кто позже, на каких глубинах, на каких струнах, и насколько это укладывается в физику распространения света в байкальской воде. Может, это просто кто-то уронил фонарик?

Собственно, роль кластера заключается именно в формировании структуры трехмерной решетки: одна секция и одна струна дают вертикальную линейку, но направление в пространстве можно определить лишь тогда, когда рядом стоят несколько струн. Чем таких кластеров больше, тем больше кубических метров воды под наблюдением, а чем больше объем – тем чаще мы можем регистрировать сигналы нейтрино из далекого космоса.

Под черным льдом Байкала, изображение №12

Чтобы все работало по красоте у Baikal-GVD существует многоступенчатая калибровка времени: внутри секции, между секциями, между струнами, между кластерами. В каждом модуле есть пара встроенных светодиодов, а в кластере дополнительно стоят калибровочные LED-матрицы в отдельных сферах, которые “подсвечивают” модули на расстояниях до сотни метров. Точность временной калибровки телескопа около 2,5 наносекунд.

Под черным льдом Байкала, изображение №13

Калибровка и в целом поправки требуются не только для установки новых модулей и струн. Особенностью функционирования в естественном водоеме в том числе является то, что вода в нем – «живая», в ней есть течения и местные жители, а у озера Байкал вообще свои собственные уникальные условия географии, гидрологии и логистики.

Байкальский чит-код

Как и другие нейтринные телескопы, по конструкции и по фону Baikal-GVD особенно чувствителен к восходящим или почти горизонтальным нейтрино. Да, то есть тем, что приходят “снизу”, пройдя через Землю. Поэтому наличие двух больших телескопов в Северном полушарии – Baikal-GVD и KM3NeT – ценится именно как полное покрытие неба в помощь IceCube на юге.

Но в отличие от своих братьев у Байкала есть особенность в виде сезонного и чрезвычайно регулярного ледяного настила, которая превращает озеро в удобную фиксированную платформу для работы. К середине февраля лёд достигает ~ 40–50 см толщины, чего хватает для безопасной работы тяжёлой техники. Поэтому зимняя экспедиция длится 6–8 недель, и именно лёд делает установку новых кластеров и обслуживание старых относительно легкой и дешевой. Кроме того, замкнутый лед озера в отличие от воды и льда больших морей стабилен и мало двигается, поэтому можно очень точно привязать струны к координатам на дне.

Baikal-GVD стоит в специально выбранной области, где дно гладкое и относительно плоское, что упрощает якорение струн. Но при этом у точки установки есть ещё крутой геологический чит-код: глубины порядка 1366 м достигаются всего в нескольких километрах от берега. Вовсе не нужно уезжать далеко от станции и тянуть десятки километров кабелей, чтобы добраться до нужной глубины. Ведь Байкал, как известно – рифтовое озеро, его бассейн сформирован разрывом коры, и со стороны он выглядит как огромная трещина в земле – оказавшаяся очень удобной для ученых.

Под черным льдом Байкала, изображение №14

Чистая пресная вода Байкала – тоже удача. Для телескопа черенкового излучения важны оптические параметры воды. Логично, ведь чем четче и дольше видно вспышку света, тем больше времени у него для записи данных. Отдельное преимущество же именно пресной воды – отсутствие источников постоянного оптического фона, вроде радиофона K-40, который является заметной частью шума для морских телескопов.

Но зато у Байкала есть свой важный нюанс: в глубине его вод нет уж и темно, его вода люминесцирует. Люминесценция воды даёт фоновый поток фотонов, который видят фотоумножители и который необходимо учитывать, причем в зависимости от сезона наблюдений, что довольно забавно… Хотя, давайте об этом в другой раз.

Светящаяся вода, лед по расписанию, Байкал – удивительное место даже для ученых-астрофизиков. Впрочем, они и сами – самые необычные люди на Байкале.

Под черным льдом Байкала, изображение №15

В августе на КБЖД все еще полно любопытных туристов. Кто-то едет на одном из редких поездов: основательно, с экскурсоводом и выползками на станциях, чем неизменно раздражает парочку местных в вагоне. Кто-то идет пешком вдоль путей, большинство из них проходят либо самое начало, либо самый конец старой дороги, когда-то торговой, а сейчас уже просто исторической. Но мало кто добирается до 106 километра.

Ивановка летом почти вымирает. Зимняя экспедиция окончена, все работает штатно, и ученые заслужили отпуск. Середина Кругобайкалки летом во власти редких путешественников и искателей тишины.

Но где-то отсюда под водой тянутся кабели. В четырех километрах от путей, на дне озера непрерывно работает огромный трехмерный инструмент - многоглазое существо, скрытое от посторонних, десятки глаз которого обращены в космос.

Под черным льдом Байкала, изображение №16

– гнать на японцев не буду, тут просто к слову пришлось. Вообще их детектор работал по немного другому направлению и выигрывал не объемами, а точностью

Автор: Александр Грибоедов

Оригинал

Источники

1) Если вам понравилась статья, то вам определенно понравится и вот эта – одна из самых уютных про Байкальский телескоп и людей, его создавших:
https://verbludvogne.ru/baikal-gvd/

2) Общая статья на N+1:
https://nplus1.ru/material/2021/03/13/baikal-gvd

3) Оригинальная статья на английском по устройству телескопа, очень понятная и подробная:
https://www.mdpi.com/2073-8994/13/3/377

4) А также сайт его работы:
https://baikal-gvd.jinr.ru/

Под чёрным льдом Байкала