Наш НЕВОД в «Байкале»

6 декабря 2024 года на заседании Комитета коллаборации «Байкал GVD» (Giga Volume Detector) НИЯУ МИФИ был официально принят в члены коллаборации и уже весной 2025 года сотрудник НОЦ НЕВОД, студент 1 курса магистратуры ИЯФИТ Егор Моргунов стал первым представителем НИЯУ МИФИ, который полноценно участвовал в ежегодной Байкальской экспедиции. О том, как будет в дальнейшем строиться наша работа в коллаборации, пресс-службе МИФИ рассказали руководитель НОЦ НЕВОД, профессор Анатолий Петрухин, руководитель работ по проекту Байкал GVD доцент Семен Хохлов и Егор Моргунов.

Схема эксперимента Байкал GVD
 

- Анатолий Афанасьевич, расскажите, пожалуйста, о «родственных связях» «Байкала GVD» и НЕВОДа, ведь они оба – черенковские водные детекторы?

- История такая. 18 июля 1987 года было принято Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР «О развитии материально-технической базы физики высоких энергий», которым предусматривалось создание шести уникальных научных комплексов: трех ускорительных и трех неускорительных (для исследований космических лучей) с целью обеспечения приоритета СССР в этой области науки. Под номером 4 в Постановлении значился «Нейтринный телескоп Байкал», а под номером 5 – «Нейтринный водный детектор НЕВОД». Так что эти два проекта можно считать «научными братьями». Их действительно объединила единая цель – регистрация и исследование самой удивительной частицы – нейтрино.

Но между этими проектами есть и большая разница. Нейтринный телескоп расположен в Южной Котловине озера Байкал в трех километрах от берега на глубине 1300 м. Его основная задача – регистрация нейтрино высоких энергий, в том числе и астрофизического происхождения. При взаимодействии нейтрино с веществом появляются высокоэнергичные электроны или мюоны, которые генерируют в воде черенковское излучение. На большой глубине регистрации излучения не мешает дневной свет, так как там всегда темно. Кроме того, большая толща воды значительно ослабляет поток атмосферных мюонов и облегчает поиск мюонов от нейтрино. Но нейтрино крайне неохотно вступает во взаимодействие, поэтому для проведения таких исследований необходим водный объем порядка кубического километра или 109 куб. метров. Так как 109 это «гига», то проект получил название Baikal-GVD (Giga Volume Detector). Его структура приведена на рис. 1. На первый взгляд, непонятен термин «телескоп» в применении к установкам такого колоссального размера. Обычный телескоп – это длинная труба, выделяющая маленький кусочек неба с большим увеличением. Для этого требуется очень хорошее угловое разрешение. Поэтому нейтринные детекторы, имеющие высокое угловое разрешение, и называются нейтринными телескопами.

Основным детектирующим элементом Байкальского телескопа являются оптические модули (рис.2) с фотоумножителями для регистрации черенковского излучения, которые объединены в гирлянды по 36 модулей, первый модуль располагается на глубине 750 метров, последний – на глубине 1275 метров. Восемь таких гирлянд образуют кластер. Всего в составе Baikal-GVD планируется 20 кластеров, на сегодняшний день смонтировано 14, т.е. 70% телескопа.

 Оптический модуль (на озере Байкал)

Нейтринный водный детектор НЕВОД имеет значительно меньшие размеры и массу около двух килотонн. Но он расположен на поверхности Земли и позволяет регистрировать не только нейтрино, но и любые другие частицы, достигающие поверхности Земли, в том числе и частицы, летящие под большими зенитными углами вплоть до горизонта. Благодаря свойствам атмосферы исследования таких частиц открывают большие возможности и новые области исследований мюонной компоненты космических лучей. Именно в таких исследованиях был обнаружен и измерен растущий с энергией первичных частиц избыток мюонов, получивший название «мюонная загадка».

За прошедшие десятилетия сотрудничество «Байкала» и НЕВОДа никогда не прекращалось: обмен идеями, техническими и методическими разработками и, самое главное, подготовка кадров различной квалификации для «Байкала»: многие выпускники МИФИ работали и продолжают работать в эксперименте «Байкал». Через аспирантуру МИФИ осуществлялась подготовка кандидатов наук. Но формально МИФИ не входил в коллаборацию «Байкал GVD».

Откликаясь на призыв директора ОИЯИ, академика Григория Трубникова о расширении коллаборации «Байкал GVD», МИФИ подал заявку на официальное вступление в состав этой коллаборации. Решение о приеме НИЯУ МИФИ было принято на заседании Комитета коллаборации 6 декабря 2024 года, хотя фактически сотрудники НОЦ НЕВОД уже несколько лет выполняют работы в интересах эксперимента «Байкал GVD» и регулярно участвуют в рабочих совещаниях коллаборации, проводимых дважды в год в ОИЯИ (г.Дубна).

- В каких направлениях будут работать сотрудники НИЯУ МИФИ, ведь эксперимент идет уже много лет и все принципиальные вопросы уже решены?

- Это не совсем так и нерешенных вопросов еще достаточно много. Для их решения было сформировано Госзадание Минобрнауки РФ «Нейтринные детекторы для дистанционного контроля ядерных реакторов и астрофизических установок» на 2022 – 2024 гг., в рамках которого в НИЯУ МИФИ выполнялись работы, в том числе и по Байкальскому телескопу. Но об этом лучше расскажет руководитель этих работ доцент Семен Хохлов.

- Хорошо, Семен, расскажите, в каких направлениях проводится работа в настоящее время?

- Первоначально мы выбрали два основных направления. Во-первых, это калибровка Байкальского оптического модуля непосредственно в черенковском излучении мюонов и каскадных ливней внутри детектора НЕВОД. По сути, оптические модули являются глазами нейтринного телескопа. Каждый модуль представляет собой прозрачную стеклянную сферу, внутрь которой вставлен большой и очень чувствительный фотодатчик, который называется фотоэлектронным умножителем или попросту ФЭУ. ФЭУ является как бы зрачком электронного глаза и этот зрачок направлен вниз, поэтому лучше всего он регистрирует свет, идущий снизу. Однако он также может регистрировать фотоны, пришедшие  сбоку, а иногда даже и сзади. Для точной реконструкции событий в эксперименте необходимо знать, как чувствительность модуля зависит от направления прихода света.

В первом приближении угловая зависимость модуля может быть измерена при  помощи светодиода или лазера, но при измерениях внутри НЕВОДа мы можем использовать реальное черенковское излучение от мюонов. К тому  же расположенный вокруг черенковского водного детектора координатный детектор ДЕКОР обеспечивает реконструкцию треков мюонов, что позволяет нам с высокой точностью определить углы падения черенковского света на тестируемый оптический модуль. Для проведения калибровки в НЕВОДе создана специальная система вращения модуля (рис. 3), позволяющая измерять его отклик на черенковское излучение, приходящее под любыми зенитными и азимутальными углами. Такая калибровка проводится впервые и позволит существенно улучшить точность реконструкции событий, регистрируемых в озере Байкал.

Устройство для калибровки двух модулей

Во-вторых, мы занимаемся анализом экспериментальных данных по мюонной компоненте космических лучей. В нейтринных экспериментах мюоны являются фоном при регистрации нейтринных событий. Но в то же время исследование мюонной компоненты имеет самостоятельное значение как для физики космических лучей, так и для исследований нейтрино. Так как мюоны и нейтрино рождаются в одних и тех же процессах, то потоки и экспериментальные спектры этих частиц, образующихся в атмосфере Земли, тесно связаны и являются основой для выделения нейтрино астрофизического происхождения. Особый интерес представляют группы мюонов в связи с так называемой «мюонной загадкой» – избытком мюонов, который растет с увеличением энергии первичных частиц. Количество регистрируемых частиц существенно превышает результатов расчетов, на основе современных представлений о космических лучах и их прохождении через атмосферу.

После официального принятия в члены коллаборации Байкал, сотрудники НИЯУ МИФИ получили возможность участвовать в ежегодных экспедициях. Весной 2025 года сотрудник НОЦ НЕВОД, студент 1 курса магистратуры Егор Моргунов стал первым представителем НИЯУ МИФИ, который полноценно участвовал в экспедиционных работах и получил высокие оценки руководителей экспедиционных работ.

- А в перспективе?

- В перспективе нас ждут разработка и моделирование нового оптического модуля для будущего проекта «Байкал GVD+» объемом 4 кубических километра. В настоящее время «Байкал GVD» имеет объём 0,7 куб. км (14 кластеров, состоящих из восьми гирлянд по 36 оптических модулей каждая). Планируется к 2028 году довести его объем до 1 куб. км. Для его дальнейшего расширения до 4 куб. км («Байкал GVD+») необходимо увеличить расстояние между гирляндами и соответственно повысить чувствительность оптических модулей. Сотрудники НОЦ НЕВОД принимают участие в разработке нового оптического модуля, проводя моделирование различных вариантов его структуры: с одним большим фото-электронным умножителем, с тремя ФЭУ меньшего размера и т.д.

- Расскажите про ваше участие в экспедиции. Все, кому удавалось побывать на Байкале зимой, в восторге от тамошних видов природы.

- Ну, об экспедиции лучше спросить у Егора Моргунова, он там работал целых три недели. Я бывал на Байкале в зимний период, когда он покрыт льдом. Это действительно впечатляющее зрелище, когда вы на автомобиле с приличной скоростью несетесь по гладкому прозрачному льду, и где-то вдали мелькают берега. А вид ледового лагеря (рис. 4) вообще впечатляет: на площади, измеряемой квадратными километрами, на больших расстояниях друг от друга стоят лебедки и другое оборудование, необходимое для монтажа очередной гирлянды подводных модулей или ремонта обнаруженных неисправностей. Вокруг виднеются другие вспомогательные сооружения и повсюду можно видеть людей в ярких красных куртках.

Ледовый лагерь
 

Несколько слов о необычной ситуации, которая сложилась на Байкале в этом году: еще в начале ледостава, когда толщина льда уже достигла десятков сантиметров, вдоль Байкала прошла глубокая трещина, которая задела и ледовый лагерь. Естественно, это сильно затруднило проведение работ и серьезно повлияло на план экспедиции. А подробнее лучше расскажет Егор.

- Егор, доложите обстановку, пожалуйста.

- Из-за трещины некоторые запланированные работы не проводились (например, прокладка кабеля по дну Байкала), и мне не довелось в них поучаствовать, но я, естественно, поеду в экспедицию и в следующий раз.

- Почему именно тебя послали в экспедицию?

- Я долго занимался туризмом, что предполагает наличие выносливости, а работа в экспедиции проходит без выходных и в весьма спартанских условиях. Жили мы в бытовках на берегу. Для монтажа гирлянд мы во льду выпиливали прямоугольные проруби, которые называются майнами, потом из них специальными клещами доставали куски льда (рис. 5). Эти куски весят несколько десятков килограмм и постоянно норовят выскользнуть, такая работа требует определенной сноровки, которой у меня поначалу не было, но я быстро научился. Ну, и к тому же моя магистерская диссертация посвящена модернизации системы калибровочных телескопов черенковского водного детектора – НЕВОДа.

  
Извлечение «куска» льда: стандартный способ и с помощью мифической силы (В.И. Шевченко)
 

- Работы там проводятся только зимой?

- Да, экспедиция проходит в феврале-марте – у Байкала же большой объем воды, и надо, чтобы он весь охладился и лед стал, чтобы можно было на машинах ездить, в том числе и на тяжелой технике, необходимой для проведения монтажных и ремонтных работ с поверхности озера. От берега до лагеря примерно 4 км. В этом году разрешение на экспедицию было получено только 14 февраля. 

Зимой опускают новые модули, и достают для ремонта неисправные – это удобно именно со льда, так как любой корабль всегда хоть немного, но качается, а длина гирлянд составляет пол километра и к низу прикреплен тяжелый якорь, так что от качки такую конструкцию может просто разорвать. Чтобы гирлянду можно было демонтировать, на глубине около 25 метров к ней прикреплен специальный буй. Буй находиться на такой глубине, что на него не влияет волнение озера и его нельзя зацепить проплывающими катерами. В этом году, примерно, на пятый или шестой день экспедиции появилась маленькая трещинка шириной в 2 см во льду прямо по середине лагеря, и в течение следующих двух дней она расширилась до метра, а в конце она уже была шириной 6 метров, пришлось сделать через нее мостик.

  
Разлом льда
 

В экспедиции я входил в одну из бригад, занимающихся сборкой гирлянд оптических модулей и их монтажом в подводные кластеры, но это лишь небольшая составляющая нашего участия в проекте, еще надо собирать данные, обрабатывать их и т.д. А вообще – «Байкал GVD» – это грандиозный научный проект, отлаженный и четко работающий. Каждому новичку отведено свое место, механизм выверен, работает как часы, и встраивание новых «шестеренок» не тормозит процесс.

Опускание гирлянды
 

- Анатолий Афанасьевич, можно ли будет послать в экспедицию не одного, а сразу нескольких сотрудников, студентов, аспирантов МИФИ?

- Конечно, руководители «Байкал GVD» заинтересованы в увеличении количества представителей нашего университета в этом проекте, в том числе и в экспедиционных работах. Хорошо известно, что выпускники МИФИ обладают лучшими инженерными навыками по сравнению с другими вузами, выпускающими «чистых» физиков. Да и в черенковском излучении в воде никто в мире кроме нас калибровать оптические модули не может, даже для установки IceCube – другого нейтринного телескопа, созданного в основном американцами, оптические модули собирались калибровать у нас, но начался ковид, а затем СВО.

Кстати, руководитель проекта Байкал GVD Жан Джилкибаев, руководители экспедиционных работ на Байкале Владимир Айнутдинов и Игорь Белолаптиков, а также ряд других участников проекта – выпускники МИФИ. Поэтому участие наших сотрудников, аспирантов и студентов приветствуется, и мы приглашаем всех заинтересованных лиц внести свой вклад в создание и работу уникального нейтринного комплекса.

Монтажные работы на льду – увлекательное, захватывающее занятие, но это только начало. Большая часть установки уже создана и дает физическую информацию, которую надо обрабатывать. Здесь пригодятся все: и умеющие работать с большим объемом данных, и методы нейронных сетей и искусственного интеллекта. Но главное надо хорошо знать и понимать физику эксперимента. Ведь задача эксперимента – найти астрофизические источники информации очень высоких энергий и понимать процессы их образования, т.к. нейтрино не могут ускоряться в электромагнитных полях, как заряженные частицы, и должны сразу рождаться с очень высокой энергией.

Но еще раз подчеркну, что участие в экспедиционных работах – это не туристическая поездка на озеро Байкал. Это серьезная работа в жестких условиях. Любые ошибки и неточности при монтаже гирлянд можно будет исправить в лучшем случае лишь через год. Да и условия жизни там достаточно скромные, без тех удобств, к которым мы привыкли в городах. Дело в том, что на берегах Байкала запрещено капитальное строительство, в том числе и в месте, где размещается эта уникальная научная установка. С другой стороны, это очень хорошая возможность проверить себя в походных условиях, когда слово «экспедиция» полностью оправдывает себя.

Работы там хватит на всех: сейчас  нужно поставить еще 6 кластеров, на что уйдет два-три года – будет достигнут объем 1 км3. Чтобы вы могли представить, что такое кубический километр, можно привести наглядный пример: если всех жителей Земли плотно «упаковать» в один объем, то он будет меньше 1 км3! А новый большой детектор «Байкал GVD+» будет 4 км3! Его создание позволит регистрировать нейтрино с еще большей энергией и заглянуть в недоступные сегодня глубины Вселенной.

В «Байкал GVD+» будут стоять уже новые модули, более чувствительные – это позволит увеличить расстояние между гирляндами. Их разработка уже началась, и в ней принимают участие сотрудники НОЦ НЕВОД. Так что впереди грандиозная работа!

Первый представитель НЕВОДа в экспедиции