При
высоких энергиях фотоны и протоны не годятся для исследования Вселенной из-за
сильного поглощения и искажения траекторий под действием сильных полей. Поэтому
альтернативным решением для исследования источников на больших расстояниях
является исследование нейтрино. Нейтрино обладают подходящими характеристиками
чтобы, как и протоны и фотоны, служить источниками информации о Вселенной.
В
самом деле, нейтрино не имеют заряда, поэтому они не отклоняются магнитным
полем. Они стабильны и взаимодействуют очень редко. Поэтому они могут добраться
до Земли из самых отдаленных уголков Вселенной. Нейтрино с энергиями от 1012
до 1020 эВ являются единственными надежными переносчиками информации
из глубокого космоса.
Одним
из направлений, для которого требуется исследование нейтрино является поиск
небарионной темной материи. Непосредственный поиск темной материи в настоящее
время производится на нескольких подземных экспериментах.
Косвенный
поиск темной материи может быть осуществлен при помощи телескопа, способного
фиксировать нейтрино, образованные при аннигиляции нейтралино, накопленных в
центрах массивных небесных тел, таких как Земля, Солнце и центр Галактики.
Расчеты показывают, что чувствительность этого метода детектирования позволит
дополнить методы непосредственного поиска.
Принцип детектирования нейтрино
Рис. 1. Оптический модуль для регистрации черенковского излучения
Нейтрино
детектируются не непосредственно, а по взаимодействию с веществом и по
продуктам реакций. Когда нейтрино взаимодействует с протоном или нейтроном, оно
порождает каскад частиц. Если произошла реакция с заряженным током,
электронное нейтрино порождает электрон, мюонное – мюон, τ-нейтрино –
τ-мезон.
Электрон
тут же создает электромагнитный ливень частиц, мюон же может, не
взаимодействуя, пролететь большое расстояние, не создав каскад вторичных
частиц. Мюон с энергией порядка ТэВ может проходить километры сквозь воду или
скалы.
В
воде все эти частицы создают электромагнитное излучение вследствие черенковского
эффекта. Черенковское излучение образует конус с углом в 40° к траектории
частиц.
Детектор
представляет собой массив оптических модулей, определяющих (с точностью до
наносекунд) время прихода и интенсивность черенковского излучения. Это
позволяет определить геометрию события и выход энергии.
Высокоэнергетичные
космические нейтрино до настоящего времени не наблюдались; их поток может быть
оценен только с помощью моделей. Как правило, эти модели предполагают, что
нейтрино возникают в основном как продукты взаимодействий протонов высокой
энергии с фотонами или ядрами.
Были
сделаны расчеты на основе различных моделей. По их результатам для регистрации
полученных потоков нейтрино требуется телескоп объемом не менее кубического
километра: для активных ядер галактик и микроквазаров за год могут быть
зафиксированы несколько сотен нейтрино.
Так
как для эффективного детектирования нейтрино требуются большие объемы воды,
нейтринные телескопы строят, как правило, под водой или в больших подземных
резервуарах.
KM3NeT
Рис. 2. Возможное расположение оптических модулей
KM3NeT (Km3 Neutrino
Telescope) – будущий глубоководный исследовательский комплекс,
включающий в себя нейтринный телескоп объемом не менее кубического километра,
который будет построен в Средиземном море. В феврале 2006 года началась
разработка конструкции этого комплекса и в 2008 году начнется подготовительная
стадия строительства.
В
последние 10 лет на проектах ANTARES, NEMOи NESTOR были развиты технологии создания
нейтринных телескопов и были построены телескопы меньшего размера для работы на
глубинах от 2500 до 4500 метров.
Конструкция
и принцип работы телескопа KM3NeT
будут рассмотрены консорциумом институтов, в данный момент участвующих в
проектах ANTARES, NESTOR и NEMO. По предварительным оценкам, создание телескопа займет около 6 лет: 3
года на разработку конструкции и 3 года непосредственно на строительство и
запуск.
Нейтринный
телескоп в Средиземном море дополнит телескоп IceCube,
построенный на Южном полюсе. Это позволит изучить большую часть диска
галактики, включая ее центр, едва видный телескопом на Южном полюсе.
Сочетание
относительно малого потока высокоэнергетичных космических нейтрино и их малого
сечения взаимодействия с материей приводит к тому, что нужен очень массивный
детектор (1012 кг). Одно из решений – использовать большой объем
морской воды с трехмерным массивом оптических модулей, например,
фотоумножительных трубок в прозрачных оболочках. В таком случае нейтрино могут
быть зафиксированы по черенковскому излучению, производимому заряженными
частицами (мюонами) от взаимодействий нейтрино с водой.
Фотоумножители можно использовать на глубинах более 1000 метров (максимальная глубина проникновения солнечных лучей), но даже там детектор будет
фиксировать фон черенковского излучения от мюонов, образованных во
взаимодействиях космических лучей с атмосферой (1010 на км2
в год). Очевидно, что чем больше глубина, тем меньше мюонный фон. Поэтому Средиземное
море – идеальное место для подобного телескопа: его вода обладает
исключительными свойствами на нужной глубине и отличной наземной
инфраструктурой для морских исследований и обработки данных.
С
угловым разрешением для мюонных событий лучше 0,1 градуса для энергий нейтрино,
превосходящих 10 ТэВ, порогом энергии в несколько сотен ГэВ и чувствительностью
к нейтрино всех ароматов, телескоп KM3NeT будет лучшим в мире прибором для изучения нейтрино. На нем смогут быть
получены научные данные, которые позволят существенно продвинуть исследования в
различных областях, таких как астрономия, поиски темной материи, физика
космических лучей и высоких энергий.
