Baikal-GVD подтвердил наблюдение астрофизических нейтрино

Новости, 22 февраля 2023

На основе данных, полученных на байкальском нейтринном телескопе Baikal-GVD, участники проекта смогли подтвердить наличие нейтринного потока астрофизической природы, ранее обнаруженного антарктическим нейтринным телескопом IceCube. Статья коллаборации c первыми результатами поиска астрофизических нейтрино в проекте Baikal-GVD вышла в авторитетном научном журнале Physical Review D.

В ней представлены результаты измерения диффузного нейтринного потока космического происхождения. Были проанализированы данные за последние четыре года. Всего было выделено 25 событий-кандидатов на нейтрино астрофизической природы. Их число и распределение по энергии близки к ожидаемым от диффузного потока, зарегистрированного в эксперименте IceCube. Научная значимость этого результата заключается в том, что подтверждается существование космических нейтрино и что параметры нейтринного потока двух разных экспериментов совпадают в пределах статистических и систематических неопределенностей.

Нейтринный телескоп Baikal-GVD – воплощение идеи выдающегося советского физика академика Моисея Маркова, высказанной им в 1960 году. Он предложил регистрировать нейтрино, “неуловимые” частицы, в больших объемах воды естественных резервуаров, где на определенном расстоянии друг от друга будут расположены детекторы света – фотоумножители. Байкальский нейтринный телескоп – это проект класса “мегасайенс”, реализуемый на территории России. Он развивается, в том числе, на средства Минобрнауки РФ в рамках государственных программ. Торжественный запуск телескопа Baikal-GVD состоялся в марте 2021 года при участии министра образования и науки РФ Валерия Фалькова.

Нейтрино – уникальная элементарная частица без заряда и с очень малой массой. Чтобы произошло взаимодействие с другой частицей, нужны особые условия: нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом. Где-то в космическом пространстве происходят процессы с гигантским выделением энергии, рождаются нейтрино, летят сквозь Вселенную и ни с чем не взаимодействуют. Когда физики регистрируют нейтрино на Земле, они могут определить направление, откуда прилетела частица, энергию, которая была в месте ее рождения, и тип нейтрино: электронное, мюонное или тау-нейтрино.

Нейтринные телескопы в естественных средах активно используются сегодня для регистрации и исследования потоков нейтрино сверхвысоких энергий от астрофизических источников. Полученные данные дают физикам возможность изучать космические процессы с огромным выделением энергии, особенности эволюции галактик и формирования сверхмассивных черных дыр, а также механизмы ускорения частиц.

Схема нейтринного телескопа Baikal-GVD

В 1980 году в Институте ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН) была образована Лаборатория нейтринной астрофизики высоких энергий под руководством члена-корреспондента РАН Григория Домогацкого. Ее целью было создание нейтринного телескопа в водах озера Байкал и проведение на нем физических исследований. Сегодня совместно с учеными из ИЯИ РАН в исследованиях на Байкале активно принимают участие физики из Объединенного института ядерных исследований, Иркутского государственного университета (ИГУ) и ряда других российских и зарубежных научных организаций.

За прошедшие 40 лет в мире было создано несколько нейтринных телескопов. Это были телескопы первого поколения: НТ-200 на озере Байкал, AMANDA на Южном полюсе (преемник проекта 1976 года DUMAND) и ANTARES в Средиземном море. Эти установки позволили разработать и реализовать методику регистрации нейтрино в естественных средах и подойти вплотную к созданию телескопов кубокилометрового масштаба.

В Северном полушарии сейчас реализуются два проекта по строительству нейтринных телескопов: Baikal-GVD на Байкале (3000 оптических модулей) и KM3NeT/ARCA в Средиземном море (378 оптических модулей).

Байкальский нейтринный телескоп – уникальная научная установка, расположенная в 3,6 км от берега на глубине около 1300 м. Baikal-GVD эффективный инструмент многоканальной астрономии для решения задач нейтринной астрофизики. Установка состоит из 10 кластеров, в каждом кластере по 8 вертикальных гирлянд, на каждой гирлянде 36 модулей. Оптическая система регистрирует черенковское излучение мюонов и каскадов заряженных частиц высоких энергий, рожденных в нейтринных взаимодействиях.

В 2011 году на Южном полюсе был запущен детектор IceCube. В толще льда на глубине более двух тысяч метров было размещено около пяти тысяч оптических модулей с чувствительными фотоумножителями внутри.

В 2013 году IceCube впервые объявил о том, что обнаружил существование суммарного потока нейтрино космического происхождения от многих источников – так называемого диффузного потока. Однако такой значимый для развития нейтринной астрономии и астрофизики результат должен был быть подтвержден другими экспериментами. Это и стало первоочередной задачей нейтринных телескопов в Северном полушарии Baikal-GVD и KM3NeT/ARCA.

«Обнаружение природного потока нейтрино высоких энергий астрофизического происхождения в эксперименте антарктическим детектором IceCube теперь подтверждено результатами, полученными в Северном полушарии нейтринным телескопом Baikal-GVD. Совместная работа этих двух детекторов дает возможность вести поиск источников нейтрино высоких энергий на всей небесной сфере и служит началом процесса построения карты нейтринного неба», – отметил член-корреспондент РАН, заведующий Лабораторией нейтринной астрофизики высоких энергий Института ядерных исследований РАН, руководитель коллаборации Baikal-GVD Григорий Домогацкий.

Работы по развертыванию нейтринного телескопа продолжаются. Каждый год с середины февраля по середину апреля на Байкале проходят экспедиции, в ходе которых устанавливаются новые кластеры. В 2023 году ученые планируют добавить к десяти кластерам еще два. Ожидается, что к 2027 году Baikal-GVD достигнет объема в один кубический километр, сравнявшись с IceCube, а в далеком будущем – в десять кубических километров.

«Открытие и измерение потока внеземных нейтрино высоких энергий экспериментами на Южном полюсе и озере Байкал, которые проводятся в разных полушариях, в разных условиях и показывают близкий результат, дают нам уверенность в том, что совместная работа этих установок позволит изучать космические источники нейтрино по всей небесной сфере и откроет эпоху построения карты звездного неба в нейтрино», – считает руководитель работ экспедиции по развертыванию телескопа, научный сотрудник Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова ОИЯИ Игорь Белолаптиков.

Пресса

22 февраля 2023, ТАСС

Работа двух детекторов нейтрино позволит составить карту нейтринного неба

22 февраля 2023, Поиск

Первые результаты байкальского нейтринного эксперимента Baikal-GVD опубликованы в Physical Review D