Байкал (научная коллаборация)

Научная коллаборация «Байкал» — совместный проект учёных Московского инженерно-физического института, Объединённого института ядерных исследований, Института ядерных исследований РАН и НИЦ «Курчатовский институт», объединившихся в рамках федеральной научно-технической программы по исследованию в области физики нейтрино.

История создания

Воды Байкала обладают необходимой для экспериментов прозрачностью и достаточной глубиной. Зимой вода покрывается на несколько месяцев льдом, толщина которого позволяет разворачивать научные станции и вести работы.

Впервые идея регистрации нейтрино детектором кубокилометрового объема, расположенным в естественной среде, была высказана физиком-теоретиком Моисеем Александровичем Марковым ещё в 1960 году. Помимо этого, учёный одним из первых в СССР стал разрабатывать программы экспериментов для решения принципиальных проблем физики элементарных частиц на ускорителях.

В 1963 году в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) была организована лаборатория под названием «Нейтрино», позже перенесенная в Институт ядерной физики РАН, и в дальнейшем исследования нейтрино стали одним из важнейших направлений работ института. По предложению академика Александра Евгеньевича Чудакова началась разработка метода глубоководного детектирования, ориентирующаяся на озеро Байкал как на полигон для испытаний и место развертывания будущих крупномасштабных нейтринных телескопов. Выбор Байкала был обусловлен высокой прозрачностью пресных глубинных вод, глубиной озера, наличием ледового покрова, позволяющего в течение двух зимних месяцев вести с него монтаж глубоководной аппаратуры.

В августе — сентябре 1979 года в посёлке Листвянка Иркутской области прошло рабочее совещание, в котором приняли участие академик М. Марков вместе с группой советских учёных, а также делегация США во главе с лидером американского проекта Джоном Лернером. В ходе совещания разрабатывался план совместных работ, в том числе А. Чудаковым были высказаны идеи о монтаже телескопа в зимнее время, как более дешевого варианта в сравнении с установкой с корабля.

1 октября 1980 года в Институте ядреных исследований (ИЯИ) РАН была создана лаборатория нейтринной астрофизики высоких энергий под руководством Г. В. Домогацкого, ставшая впоследствии ядром Байкальской коллаборации. В этом же году учёные исследовали акваторию озера Байкал вдоль Кругобайкальской железной дороги (КБЖД) для выбора наиболее подходящего для работ по глубоководной регистрации нейтрино места. Важным условием для проекта была глубина водоема более километра. Одним из возможных вариантов была территория возле острова Ольхон, однако, несмотря на большую глубину в той местности, в итоге выбор остановили на Ивановской пади на 106-м километре КБЖД.

Астрофизика частиц одно из немногих направлений фундаментальной физики, в котором Россия с самого его зарождения сохраняет лидерство. Во многом — ​благодаря существенным вложениям в создание крупномасштабных установок. Чтобы удержать позиции, требуется обновление этой инфраструктуры и новые эксперименты.

 — Сергей Троицкий, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник отдела теоретической физики ИЯИ РАН.

Первая экспедиция была проведена в 1981 году. Её участниками были учёный-физик Буднев Николай Михайлович, два студента из Иркутского государственного университета, а также лимнолог Павел Шерстянкин.

В 1984 году учёные собрали первый образец нейтринного телескопа на Байкале — НТ-36, который представлял собой пространственную решётку оптических приборов, регистрирующих свет. Для её создания группа авторов проекта самостоятельно разработала фотоприемники и организовала их производство на заводе «Экран» в Новосибирске. Следующие нейтринные телескопы по своему строению и принципам работы остались фактически неизменными.

К 1990-м годам помимо исследователей Иркутского государственного университета к проекту подключились учёные Института ядерных исследований РАН и Московского государственного университета. Активно росло число детекторов в конструкции телескопа, на смену прототипу НТ-36 пришли телескопы НТ-72, НТ-96 и НТ-144 (число в названии означает число детекторов).

Детектор нейтринного телескопа

В 1994 году этот телескоп впервые в мире зарегистрировал подводный нейтрино. Была реализована широкая программа научных исследований и получены одни из наиболее значимых для своего времени результатов в задачах поиска нейтрино от локальных источников, диффузного потока нейтрино, выяснены ограничения на величину потока магнитных монополей и потока мюонов от распада частиц тёмной материи в центре Земли и Солнца.

В 1998 году был развёрнут и введён в эксплуатацию первый в мире глубоководный нейтринный телескоп НТ200 — прототип современного телескопа. Он содержал 192 фотодетектора, сгруппированных в восемь вертикальных гирлянд, размещенных на глубине 1100—1200 метров и объемлющих 100 000 кубических метров пресной воды. Успешная эксплуатация нейтринного телескопа НТ200 и результаты анализа полученных на нём данных доказали эффективность метода глубоководной регистрации нейтрино в пресной воде озера.

С 2006 по 2010 годы были разработаны, изготовлены и испытаны в натурных условиях образцы всех базовых элементов и систем телескопа Baikal-GVD. В 2011 году начался заключительный этап комплексных натурных испытаний элементов и систем телескопа, завершившийся созданием глубоководной установки «Дубна» — первого кластера нейтринного телескопа Baikal-GVD.

В октябре 2013 года была создана новая научная структура GNN (Global Neutrino Network), как первый этап в формирования консорциума Глобальная нейтринная обсерватория (GNO) c участием всех действующих в этой области международных коллабораций: ANTARES, Baikal, IceCube, KM3NeT.

В 2015 году на озере Байкал начато строительство нейтринного телескопа Baikal-GVD объёмом около кубического километра. Эта установка ставит своей целью исследование потоков нейтрино сверхвысоких энергий из космоса, поиск тёмной материи и гипотетических частиц — магнитных монополей. К проекту подключились крупнейшие научные институты России. Сегодня в коллаборацию входит не только Россия, но и организации из Чехии, Словакии, Германии и Польши.

С декабря 2018 года коллаборация «Байкал» начала участвовать в новом международном научном направлении исследований в астрономии и астрофизике: «multi-messenger». Это направление использует быстрый обмен информацией в случае наблюдения редких событий на любой из установок, регистрирующих нейтрино, космические лучи, гравитационные волны и фотоны. В соответствии с принятым соглашением между коллаборациями «Байкал» и ANTARES, информация события (алерт), формируемая при регистрации нейтрино высокой энергии в глубоководном телескопе ANTARES, менее чем через 12 секунд поступает в коллаборацию «Байкал».

Участники

Коллаборация «Байкал» — международная, в проекте приняли участие представители Института экспериментальной и прикладной физики Чешского технического университета (Прага, Чехия), Алма-Атинский институт ядерной физики, Факультет математики, физики и информатики Университета имени Я. А. Коменского (Братислава, Словакия), Институт ядерной физики ПАН (Краков, Польша), EvoLogics Gmbh (Берлин, Германия).

Координирует работу учёных Объединенный институт ядерных исследований и Курчатовский институт. В центре управления Байкальского нейтринного телескопа собрались представители девяти организаций — Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ), Института ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН), Иркутского государственного университета, Национального исследовательского ядерного университета МИФИ, Новосибирского государственного университета, Физического института имени П. Н. Лебедева РАН, Кабардино-Балкарского государственного университета, Томского политехнического университета, Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (НИИЯФ МГУ).

Позже к проекту присоединились Нижегородский технический университет и Санкт-Петербургский морской технический университет.

Современный проект

Baikal-GVD — это проект подводного нейтринного телескопа километрового масштаба на озере Байкал, предназначенный в первую очередь для изучения астрофизических потоков нейтрино. Телескоп имеет модульную структуру, формируемую из функционально независимых установок кластеров — вертикальных гирлянд оптических модулей. Модульная структура телескопа позволяет вести набор экспериментальных данных уже на ранних этапах развертывания установки и обеспечивает перспективу практически неограниченного наращивания его объема. Такая структура также позволит изменять его конфигурацию по мере изменения во времени научных приоритетов.

Спуско-подъемное устройство и оптический модуль телескопа, готовый к погружению на глубину озера.

С точки зрения управления, запуска и считывания, каждый кластер можно рассматривать как независимый детектор нейтрино высоких энергий. Новые кластеры можно добавлять без перенастройки всего телескопа.

Кластер содержит 8 вертикальных гирлянд длиной 345 м каждая, на которых размещены оптические модули (ОМ) — 192 фотодетектора, регистрирующих черенковское излучение. Эти модули сгруппированы в разделы. Каждая секция содержит 12 ОМ и мастер-модуль секции (СММ). Сигналы формы от всех ОМ секции передаются на соответствующий ведущий модуль по коаксиальным кабелям. После оцифровки и временной метки данные передаются в центр кластера, который соединен с береговой станцией оптическим кабелем.

Работа всех кластеров точно синхронизирована во времени, что позволяет сливать на береговой станции потоки частиц или треки мюонов в разных скоплениях и объединять данные из всех задействованных кластеров.

К инновационным достижениям в рамках исследований и разработок специальной аппаратуры для телескопа необходимо отнести систему гидроакустического позиционирования оптических модулей, систему калибровки на основе светодиодов и полупроводниковых лазеров, и систему синхронизации телескопа.

Система гидроакустического позиционирования (APES) разрабатывалась совместно с компанией EvoLogics (Германия). Система состоит из четырёх неподвижных гидроакустических модемов, прикрепляемых к якорям гирлянд в каждом кластере, и пяти модемов на каждой из гирлянд оптических модулей. Акустические модемы (AM) подключаются к системе сбора данных телескопа через интерфейс RS-485, чему способствует 2-канальный преобразователь Ethernet в RS-485, установленный в модуле управления. Один канал используется для связи с самым верхним AM, а другой — с нижними. Хотя модемы функционально идентичны, их можно разделить на два класса: маяки и узлы. Маяки установлены вдоль оптических модулей струны и ориентированы вниз. Узлы ориентированы вверх и установлены рядом с якорем, в нескольких метрах от него.

APES регулярно опрашивает маяки на предмет задержки акустического сигнала от узлов и использует эти данные для триангуляции координат маяка. Период опроса зависит от конфигурации APM, но для одного кластера он обычно составляет 40-60 секунд. Этот процесс контролируется программным обеспечением AMS, работающим с береговой станции. Несмотря на то, что операции APS полностью автоматизированы, существует возможность удаленного доступа к программному обеспечению приложений для технического обслуживания. Центры сбора данных кластеров располагаются вблизи поверхности озера и соединены с береговым центром сбора данных гибридными электрооптическими кабелями. Полученные данные буферизуются на берегу и передаются в первичное хранилище данных в Дубне для предварительной обработки и дальнейшего использования.

Обработка и анализ данных реализованы в виде набора программ на C++, решающих какую-то конкретную задачу. Как правило, основными элементами программ являются блоки данных и алгоритмы, манипулирующие данными. Алгоритмы инкапсулированы в модули, которые имеют одинаковую структуру, что позволяет собирать и упорядочивать их для выполнения конкретной задачи. Блоки данных инкапсулируются в контейнеры данных, через которые модули могут передавать данные друг другу. Таким образом, данные и алгоритмы отделены друг от друга, что обеспечивает очень гибкую базовую структуру обработки данных.

Периферийные струны кластера удалены от центральной струны на 60 метров. Расстояние вдоль струны по вертикали между оптическими модулями составляет 15 м. Данная конфигурация была выбрана в результате тщательного процесса оптимизации, что позволяет с высокой эффективностью регистрировать как ливни, так и треки мюонов. Струна с оптическими модулями спускается в озеро Байкал из-под ледяного покрова, причем верхние ОМ находятся на глубине 700 м, нижние ОМ на глубине 1240 м.

Струны закреплены на дне озера тяжёлыми якорями — это первая, самая нижняя точка каждой гирлянды оптических модулей, с которой начинается сборка. Якорь наполняют грузом (рельсами), взвешивают, после чего отправляют под лед. Вес якоря 1060 кг. Это минимально необходимый вес, чтобы удержать гирлянду. Вверху струны зафиксированы связкой буев. Следовательно, кластер не является жёстко фиксированной системой, но струны могут перемещаться лишь до определенного предела. Положение каждого оптического модуля постоянно контролируется посредством акустических передатчиков и датчиков, образующих систему акустического позиционирования.

Байкальский глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD, наряду с IceCube, ANTARES и KM3NeT, входит в Глобальную нейтринную сеть (GNN) как важнейший элемент сети в Северном полушарии Земли и как первый шаг на пути создания международного научного консорциума «Глобальная нейтринная обсерватория» (GNO). Эта установка класса мегасайенс предназначена для исследования нейтрино высоких энергий, пришедших из-за пределов Солнечной системы. Нейтрино, пройдя сквозь толщу Земли, может с некоторой вероятностью провзаимодействовать с водой озера Байкал и породить каскад заряженных частиц. Черенковское излучение от заряженных частиц распространяется в воде озера и регистрируется оптическими модулями установки, погруженными в глубины озера. Километровые глубины Байкала и прозрачность его воды делают возможным создание такого уникального инструмента.

Это большой успех команды Института ядерных исследований Российской академии наук, Объединенного института ядерных исследований и других членов коллаборации Baikal-GVD. Мы планируем продолжить работу и в ближайшие годы завершить развертывание уникального детектора нейтрино. Телескоп уже работает и набирает данные.

 — Л. В. Кравчук, главный научный сотрудник ИЯИ РАН, член-корр. РАН.

В 2021 году проект введён в эксплуатацию. Телескоп Baikal-GVD является ключевым инструментом проекта «Нейтрино и астрофизика частиц», он самый большой в Северном полушарии и второй по размеру в мире.

Экспедиции

Первый кластер нейтринного телескопа был развёрнут в 2015 году. В 2018 году состоялась первая Зимняя Байкальская экспедиция, в ходе которой были полностью восстановлены первые два кластера и введён в эксплуатацию третий кластер. Во время второй экспедиции на озеро Байкал с 15 февраля по 12 апреля 2019 года были введены в строй ещё два кластера создаваемого глубоководного нейтринного телескопа кубокилометрового масштаба Baikal-GVD.

Развертывание нейтринного телескопа Baikal-GVD на озере Байкал.

Для этих работ организациями было произведено 600 оптических и 80 управляющих глубоководных электронных модулей. Произведены все элементы несущих глубоководных конструкций, кабельные подводные магистральные и сетевые соединения, модемы гидроакустической системы позиционирования и другие элементы телескопа. Усовершенствованы технологии подготовительных, глубоководных и монтажных работ с поверхности льда, расширен парк специального автотранспорта и тракторов.

Всего в экспедиции участвовало 60 научных сотрудников, инженеров, техников, рабочих, включая волонтеров, среди них 5 специалистов из зарубежных организаций.

В результате экспедиции 2019 года к двум новым кластерам гирлянд глубоководных оптических модулей проложены две новые донные глубоководные линии кабельной связи, связывающие установку и береговой центр. Все системы телескопа были многократно протестированы и поставлены в штатный режим набора данных. На конец экспедиции 2019 года в режиме набора данных приступили к работе пять кластеров.

В феврале 2022 года стартовала третья экспедиция. К 17 марта проведен тест восьми собранных гирлянд девятого кластера, все они подключены штатным образом. Участники экспедиции отремонтировали седьмой кластер и возобновили набор данных. Окончены подготовительные работы по прокладке донного кабеля для десятого кластера, проложены его первые 700 м. Кабели играют ключевую роль, так как по ним подается напряжение, и именно с их помощью снимается сигнал. Каждая гирлянда включает в себя около четырёх с половиной километров кабеля.

Экспедиция 2023 года была организована Институтом ядерных исследований РАН и Объединённым институтом ядерных исследований. В ходе этой экспедиции введено в строй 12 кластеров, расположенных на расстоянии 250—300 м друг от друга. С 8 апреля 2023 года кластеры работают в режиме набора данных. Каждый кластер представляет собой самостоятельный детектор из 8 вертикальных гирлянд, на каждой из которых размещено 36 оптических модулей. В настоящее время телескоп включает в себя около 3500 фотоприемников. По проекту объём установки к 2027 году должен составить порядка одного кубического километра.

Ссылки

• Байкальский глубоководный нейтринный телескоп
• Нейтринный телескоп baikal-gvd — прошлое, настоящее, будущее
• Байкальская экспедиция 2022

Одним из источников этой статьи является статья в википроекте «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «Байкал (научная коллаборация)», находящаяся по адресам: «https://baza.znanierussia.ru/mediawiki/index.php/Байкал_(научная_коллаборация)» «https://znanierussia.ru/articles/Байкал_(научная_коллаборация)». Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?»