Кафедра общей и прикладной геофизики 
Сотрудники и студенты кафедры общей и прикладной геофизики участвуют в создании уникальной подводной установки для наблюдения нейтрино астрофизического происхождения — Байкальского нейтринного телескопа (Baikal Gigaton Volume Detector или Baikal-GVD).
Интереснейший научный проект, у руля которого стоит Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ), приковывает к себе внимание учёных, специалистов, и просто любознательных людей всего мира, интересующихся вопросами устройства нашей Вселенной, нейтринной астрономии, астрофизики, физики элементарных частиц, строения планеты Земля.
Ежегодные работы по строительству новых кластеров нейтринного телескопа Baikal-GVD проводятся с февраля по апрель, когда на Байкале устанавливается прочный лёд. Устанавливать, тестировать и настраивать подводное научное оборудование — километровые гирлянды фотодетекторов — с поверхности льда гораздо проще и дешевле, чем с корабля в открытом море. Но работать приходится в условиях сурового климата и зимних температур.
Довольно часто и в сложной метеорологической обстановке.
Сергей Колигаев — заведующий лабораторией сейсмоакустических технологий кафедры общей и прикладной геофизики — участвует в решении одной из важных технологических задач проекта — позиционирование оптических детекторов.
Озеро Байкал — это не статичный сосуд с водой, в нём существуют течения, под действием которых тросы гирлянд телескопа изгибаются и смещаются в толще воды. Физикам нужно с высокой точностью отслеживать положение каждого детектора, ведь для восстановления направления и энергии нейтрино нужно знать, в какой последовательности детекторы засекли частицу. Для решения задачи используют гидроакустические излучатели и приёмники. Триангуляция звуковых сигналов позволяет определить положение тросов с точностью до сантиметра.
Максим Колбин и Дмитрий Орлов — сотрудники ОИЯИ и, одновременно, студенты кафедры общей и прикладной геофизики. Неоднократные участники экспедиции, на Байкале они стали универсальными специалистами. Сборка, испытания, монтаж и калибровка прецизионного оборудования, спуск и подъем километровых гирлянд, установка подводных кабелей связи с береговой станцией. Помимо этого, телескоп, как и любой другой прибор, требует регулярного обслуживания и ремонта.
Вообще, нейтринный телескоп — это наукоёмкий и высокотехнологичный проект, который позволит прочитать историю Вселенной и узнать, что в ней происходило миллионы и даже миллиарды лет назад. Инструментом для реконструкции рождения и развития галактики станут именно байкальские нейтрино.
👉 Нейтрино — элементарная частица без заряда и с очень малой массой. В силу этих свойств нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом. Потоки нейтрино высоких энергий легко проникают сквозь плотные массивы вещества (целые планеты, звезды и звездные скопления), что делает нейтрино уникальным носителем информации о процессах внутри космических объектов, а также о свойствах удалённых источников самих частиц (взрывы сверхновых, двойные звезды, ядра галактик, вспышки гамма-излучения, «пузыри Ферми», распад темной материи и др.). Очень вероятно, что с помощью наблюдений нейтринных потоков можно будет обнаружить высокоэнергетичные объекты, не излучающие фотоны и, следовательно, невидимые обычными телескопами.
Геофизики также заинтересованы в изучении нейтринных потоков. Исследования дадут новую детальную информацию о распределении плотности и других свойствах вещества в недрах нашей планеты.
❓Но как обнаружить и зарегистрировать пролёт нейтрино в земных условиях? Нужно, чтобы произошло её взаимодействие с другой частицей. Вероятность такого события возрастает с увеличением плотности и объёма вещества на пути частицы.
Еще в 1967 году советский физик, академик М.А. Марков, предложил регистрировать нейтрино высоких энергий в больших объёмах прозрачной воды (в глубоководных морях), где на определенном расстоянии друг от друга расположены детекторы света.
👉 В случае, когда энергия нейтрино больше 1015 эВ, Земля становится непрозрачной для него. Нейтрино взаимодействуют в толще Земли или в объёме воды, рождая мюон, который движется в среде со сверхсветовой скоростью и излучает черенковский свет (излучение Вавилова-Черенкова) под строго определенным углом, зависящим от энергии мюона. Регистрируя этот свет с помощью пространственной решётки фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), можно определить энергию и направление мюона, а значит и родившего его нейтрино.
После этого можно посмотреть в обычный оптический телескоп и понять, какой объект породил нейтрино с такой огромной энергией.
📝 Опытные работы на Байкале были начаты в 1980 году. В 1984 году ученые собрали первый образец телескопа — установка «Гирлянда-84» из 12 датчиков (фотодетекторов), послужившая базисом для будущих телескопов.
В 1994 году первые три гирлянды создаваемого байкальского телескопа НТ-200, впервые в мире зарегистрировали подводный нейтрино. Телескоп НТ-200, состоящий из 8-ми 72-метровых гирлянд и 192 детекторов на глубине более 1 км, был закончен в 1998 году. Его рабочий объём (объем воды, в котором регистрируются пролеты нейтрино) составил 100 тыс. м³.
К 2010 году было завершено проектирование второй очереди байкальского телескопа. Новый проект получил название Baikal Gigaton Volume Detector. Планировалось, что он должен просматривать воду объёмом в 1 км³ — это в тысячи раз больше, чем у первых советских установок. Телескоп создается очередями — кластерами. В 1 кластере — 8 гирлянд. Каждая гирлянда несет на себе 36 фотодетекторов. Таким образом, в одном кластере телескопа содержится 288 фотодетекторов, что в 1,5 раза больше, чем во всем НТ-200.
Новый проект начали реализовывать в 2015 году силами международной коллаборации BAIKAL-GVD, в которую входят:
- Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна),
- Институт ядерных исследований РАН,
- Иркутский государственный университет,
- Нижегородский государственный технический университет,
- Институт экспериментальной и прикладной физики Чешского Технического Университета (Чехия),
- Факультет математики, физики и информатики Комениус Университета (Словакия),
- EvoLogiсs Gmbh (Германия),
- Institute of Nuclear Physics, Polish Academy of Sciences (Польша).
Торжественный запуск телескопа Baikal-GVD состоялся в марте 2021 года.
К 2022 году в структуру телескопа уже входит 11 кластеров.
Сейчас ведутся работы на 11-м и 12-м кластерах. К 2030 году планируется довести число кластеров до 27. А вот как устроен современный детектор телескопа.
👏 Желаем нашим коллегам успешного завершения Байкальской экспедиции — 2023!
Байкал, 31 марта 2023 г.