Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №10 за 2005 год

Почему же детекторы нужно было разместить достаточно глубоко – не менее чем на 1 км? Во-первых, следовало уменьшить помехи от космических лучей, во-вторых, защититься от солнечного света, в-третьих, уйти из зоны активной подводной жизни (например, от люминесцирующих организмов), которая также способна создавать помехи для измерений. Большие опасения в тот начальный период вызывал вопрос: достаточна ли прозрачность воды для наблюдений черенковского излучения на больших расстояниях? Оказалось, что прозрачность океанских глубин в 4 раза больше, чем ожидалось. Также благополучно разрешилась проблема прозрачности и для Байкала. Любопытно, что тогда, в середине 70-х годов, никто не стал рассматривать возможность использования ледяного детектора, так как все были уверены, что его прозрачность будет недостаточной.

Практические работы по проекту нейтринного телескопа первыми начали американцы в 1976 году, окрестившие его звучным именем DUMAND (Deep Underwater Muon And Neutrino Detector). Океанская площадка для проекта была подобрана в 30 километрах от гавайского берега на глубине 4 800 м вблизи мыса Кихоул Пойнт. С конца 70-х годов на площадке начались обширные океанографические исследования. Ведь подводные течения или частые штормы могли существенно осложнить эксперимент.

По окончательным планам проекта DUMAND, от дна к поверхности океана планировалось поднять девять «гирлянд», или «струн», а на них, словно елочные шары, разместить «оптические модули» – фотоумножители с необходимой обслуживающей электроникой. Энергия должна была подаваться с берега по металлическим кабелям, а обмен информацией идти по кабелям оптоволоконной связи. Струны образовывали восьмиугольную конструкцию (одна из струн в центре) с площадью сечения около 20 000 м 2 . Все дальнейшие большие нейтринные телескопы так или иначе придерживались этой общей конструкции.

К сожалению, до конца проект DUMAND не довели. Были проведены только настроечные опыты с короткими струнами-прототипами. Заготовленные оптические модули передали новой программе по нейтринной астрономии в Средиземном море вблизи берегов Греции – проекту NESTOR (Neutrino Extended Submarine Telescope with Oceanographic Research), который стал прямым наследником и продолжателем проекта DUMAND.

Исследования нейтрино с помощью другого наследника DUMAND – проекта ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch), базируются во Франции. Площадку для этого проекта подобрали недалеко от Тулона, там, где глубина Средиземного моря составляет около 2 400 м. Сейчас проводится обширный цикл измерений прозрачности воды, оптического фона, биологического обрастания оптических поверхностей, силы течений и других океанографических характеристик. Сама конструкция нейтринного телескопа примерно та же, что и в проекте DUMAND: десять вертикальных струн с тысячью оптических модулей каждая, которые располагаются на площади в 0,1 км 2 . Ближайшие ко дну модули помещаются на высоте около 100 м, а вся «активная» зона телескопа занимает 300 м по высоте. Следовательно, объем, в котором находятся оптические приемники, составит около 30 млн. м 3 . Как и в DUMAND, питание и связь осуществляются с берега. «Боевое» применение ANTARES и сбор реальных экспериментальных данных начались с 2004 года.

В исследованиях, проводимых с помощью отечественного нейтринного телескопа НТ-200, расположенного около южного берега Байкала, немалую позитивную роль сыграл лед, причем не как оптическая среда для наблюдений, а как стабильная рабочая площадка, с которой удобно монтировать и заменять оборудование. Место для телескопа было выбрано в 3,6 км от берега на глубине 1,1 км. Зимой во льду вырубали полынью, через которую поднимали и опускали «гирлянды» с оптическими модулями. Работы на Байкале начали с 1980 года, и сейчас они проводятся прежде всего силами физиков МГУ, Института ядерных исследований, Иркутского университета и немецкими учеными из Цойтена (DESY, Общество Гельмгольца). В настоящее время установлены 8 струн со 192 оптическими модулями, которые связаны с берегом тремя кабелями. Эффективный объем детектора (около 200 000 м3) еще недостаточен для регистрации редких нейтринных событий, но уже разработаны планы его стократного увеличения. В 1996 году НТ-200 первым из телескопов, использующих природные среды в качестве детектора, зарегистрировал ряд нейтринных событий, хотя они и не относились к внеземным объектам. «Морские» и «озерные» нейтринные телескопы пока не дали астрофизических результатов, но оказались вполне пригодными для изучения, например, мюонных потоков космических лучей и атмосферных нейтрино. Отметим также, что описанные проекты расположены в Северном полушарии и через «фильтр» земного шара будут смотреть на южное звездное небо.

Интересы астрофизиков-экспериментаторов сегодня сместились от «подводной» ловли нейтрино к ловле «подледной». Идею «ледяного детектора» стали всерьез разрабатывать только в 90-х годах. Местом проведения экспериментальных работ по проекту AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array) выбрали 3-километровый ледяной панцирь Антарктиды вблизи Южного полюса на американской полярной станции «Амундсен—Скотт», где прежде всего проверили опасения насчет оптических свойств ледяной среды. Лед просверлили до глубины 800—1 000 м. Худшие ожидания подтвердились: вмерзшие в лед воздушные пузырьки оказались в 50 раз больше по размеру, чем ожидали, к тому же они были повсюду. Это обстоятельство создавало такое рассеяние света, что ни о какой приемлемой дистанции передачи светового импульса не могло быть и речи. Однако проект AMANDA-I не прекратили и решили изучить ситуацию на более глубоких ледяных горизонтах – от 1 500 до 2 000 м. Упорство исследователей было сполна вознаграждено: ниже 1 400 м лед был, как венецианское стекло, – без единого пузырька. Вместо характерной ожидаемой дистанции для распространения голубого света черенковского излучения около 8 м свет проникал на 100 м. Прозрачность льда и степень рассеяния на этих горизонтах во много раз перекрывали необходимый набор характеристик оптической среды для успешной работы детектора.

На стадии AMANDA-II, начатой в 1996 году, на глубину более 2 000 м было просверлено с помощью струй горячей (80°С) воды 19 вертикальных шахт диаметром 0,5 м. Эти шахты не замерзали в течение 35 часов (горячая вода продолжала в них циркулировать), и за это время нужно было успеть опустить туда струны из стальных тросов, в нижней части которых на специальных карабинных креплениях (схожих с альпинистскими) были закреплены устойчивые к давлению оптические модули размерами примерно с баскетбольный мяч. Каждый оптический модуль включал ФЭУ (фотоэлектрические умножители) и необходимую электронику – по существу мини-компьютер. Всего было использовано 677 оптических модулей, в среднем около 36 на одну струну. Детекторы перекрывали цилиндр с поперечником 200 м и высотой 500, начиная с глубины 1,5 км. Всю эту конструкцию можно сравнить с новогодней елкой, увешанной гирляндами лампочек. Правда, оптические модули не испускают, а принимают свет.