"Ухо Антарктики": как физики превратили целый континент в детектор частиц
Александр Новиков, научный сотрудник НИЯУ "МИФИ", рассказал РИА Новости о том, зачем российские ученые и их коллеги из НАСА каждый год отправляются в Антарктиду и запускают там необычные "воздушные шары", а также поделился впечатлениями от жизни в окрестностях Южного полюса Земли.
По стопам Жюля Верна
Раз в несколько лет ученые из университета штата Гавайи, НАСА, Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" и многих других научных центров мира отправляются в необычные экспедиции в Антарктику, на станцию Мак-Мердо, в ходе которых они занимаются, казалось бы, очень странной вещью. Они запускают в холодный полярный воздух аэростаты, начиненные самой высокотехнологичной аппаратурой, и отдают их на волю ветров на последующие несколько недель.
Используемые учеными "воздушные шары" помогают в поиске нейтрино сверхвысоких энергий. Эти частицы представляют собой следы самых мощных взрывов и катаклизмов Вселенной, происходящих в центрах галактик, окрестностях сверхмассивных черных дыр и других уголках мироздания, о природе которых астрономы продолжают спорить.
"На самом деле наши "воздушные шары" нельзя назвать чем-то старинным и архаичным. Современные аэростаты могут поддерживать свою высоту, подниматься и спускаться в разные времена суток, совершать многие другие маневры. Они выгодно отличаются от спутников тем, что их можно запускать многократно, что значительно сокращает расходы на проведение наблюдений", - объясняет физик.
Вдобавок аэростаты, отметил ученый, способны передавать и получать гораздо больше данных, чем это могут сделать спутники, и имеют несколько других плюсов, благодаря которым научная команда проекта ANITA выбрала "воздушное наследие XIX века" в качестве базовой платформы для работы детекторов, создаваемых в США и в МИФИ.
Поисками "сверхвысоких" нейтрино американские ученые, участвующие в проекте ANITA (Antarctic Impulse Transient Antenna), занимаются уже десять лет, и им еще не удалось найти ни одной подобной частицы. Пока это не является проблемой - другой проект подобного рода, высокогорный телескоп Пьера Оже в Чили, открыл лишь два или три десятка космических лучей сверхвысокой энергии за десятилетия почти непрерывной работы. "Соседу" ANITA, телескопу IceCube на Южном полюсе, удалось найти всего несколько десятков нейтрино, прилетевших на Землю из далеких галактик.
В отличие от обычных нейтрино, вырабатываемых Солнцем и другими звездами, нейтрино сверхвысоких энергий возникают в ходе крайне необычных процессов, в том числе распада частиц темной материи, природу которых ученые и пытаются раскрыть. Очень низкая вероятность регистрации этих частиц, как отмечает Новиков, заставила физиков превратить всю Антарктику в гигантский детектор подобных нейтрино.
Говорит и слушает Антарктика
"Вероятность регистрации частицы зависит от двух параметров - площади детектора и того, как долго он работает. В нашем случае роль детектора играет лед Антарктиды. Есть похожие наземные детекторы - ARIANA и ARA. Они могут работать круглогодично, но при этом регистрируют события на очень небольшом расстоянии от себя. Наш аэростат позволяет видеть практически весь континент и фиксировать события, которые происходят в сотнях километров от него", - объясняет Новиков.
Как работает этот природный детектор? Его действие основано на любопытном эффекте, предсказанном еще в 1962 году советским физиком-теоретиком Гургеном Аскарьяном. Он заметил, что нейтрино высоких энергий будут "нарушать" законы физики, пролетая через особо плотные материалы, не проводящие электрический ток, такие как лед или соль, в которых свет движется медленнее, чем сама частица.
Как правило, подобное "сверхсветовое" движение частиц обычно порождает вспышки света - так называемое излучение Вавилова-Черенкова. Однако в случае с нейтрино высоких энергий, как считал Аскарьян, этот процесс будет порождать пучки радио- и микроволн с особыми свойствами. На территории Антарктиды, помимо научных баз, нет источников радиоизлучения, что позволяет ученым находить следы нейтрино, пролетающих через толщу льда, используя мощные радиоантенны, похожие по принципам своей работы на обычные радиотелескопы.
Размеры этих антенн, по мере расширения проекта ANITA, постоянно росли, и текущая - четвертая - версия детектора представляет собой внушительную батарею из радиоприемников высотой в семь метров и массой около тонны. Комплекс антенн, как объясняет Новиков, поднимается аэростатом на высоту в 37 километров, на которой он может обозревать практически весь континент.
Первые запуски этой антенны, проведенные еще до подключения российских ученых к проекту, показали, что воспринимаемые радиосигналы достаточно тяжело восстановить из-за того, что поверхность Антарктиды не является идеально ровной.
Остроумное решение проблемы нашла российско-американская команда физиков, возглавляемая Дэвидом Бессоном (David Besson), профессором НИЯУ "МИФИ" и университета Канзаса. Экспериментируя с различными источниками радиосигналов, ученые неожиданно натолкнулись на простой и дешевый метод калибровки и исследования свойств льда, влияющих на радиосигналы, получаемые основным детектором ANITA.
Все помехи, как оказалось, можно удалить из данных, "обстреливая" поверхность Антарктики особым периодическим радиосигналом, который вырабатывается при действии пьезоэлемента, подобного тому, что есть в зажигалках для газовых кухонных плит. Для этого потребовалось запустить еще два аэростата, следующих на небольшом удалении от ANITA и определяющих свое азимутальное положение при помощи фотоумножителей, созданных в лаборатории Бессона в МИФИ.
"Сейчас мы работаем в МИФИ над созданием третьей версии системы калибровки сигнала, HiCal-3, которая бы не включала в себя пьезоэлемент. По сути, он ничем не отличается от тех зажигалок, которые берут с собой в поход туристы, и работает в похожих условиях, за исключением того, что на кнопку нажимает мотор, а не человек. С другой стороны, эта "зажигалка" показала себя чрезвычайно хорошо, и пока нам еще не удалось подобрать ей адекватную замену", - рассказывает физик.
Жизнь за полярным кругом
Последний сеанс работы ANITA состоялся в декабре прошлого года и завершился к началу нынешнего, когда российские и американские ученые "отстрелили" ANITA от аэростатов и спустили детекторы на парашютах на землю. В результате организованной к "шарам" экспедиции исследователи забрали жесткие диски, оставив сами антенны, электронику и системы связи на месте.
Как объясняет Новиков, это связано с тем, что "шары" и антенны весят немало, разобрать их достаточно сложно и долго, а вывезти можно только при помощи самолета, посадка которого в условиях наступающей полярной ночи - крайне непростая и опасная задача.
Ученые возлагают особые надежды на новый набор данных, который может содержать как первые намеки на то, что Стандартная модель физики неправильно описывает поведение нейтрино сверхвысоких энергий, так и подтверждать ее.
"Мы обработали еще не все данные, собранные в ходе предпоследнего полета аэростатов. Нам пока не удалось найти нейтрино высоких энергий, однако детекторы зафиксировали прохождение через атмосферу четырех других типов космических лучей. Мы надеемся, что данные с экспедиций 2014-го и 2016 года помогут нам найти хотя бы несколько этих нейтрино и проверить Стандартную модель", - говорит Новиков.
Их обнаружение, как добавил ученый, позволит не только приступить к поиску источников этих загадочных нейтрино, но и фактически подарит Земле "бесплатный" и постоянно работающий ускоритель частиц, способный разгонять их до таких скоростей и энергий, которые находятся далеко за пределами возможностей БАК и даже коллайдеров будущего.
В конце ноября российский физик планирует вернуться в Антарктиду, где научная команда ANITA отправится в повторную экспедицию к детекторам и на этот раз эвакуирует их на Большую землю для подготовки к очередному полету. Этот, казалось бы, простой процесс на самом деле сопряжен с большими сложностями и проблемами.
"Работать в Антарктике с электроникой не очень приятно и даже опасно, потому что там почти нулевая влажность. И если дотронуться до любого металлического предмета, то нередко происходит разряд статического электричества. Приходится очень аккуратно работать с микросхемами, чипами", - рассказывает физик.
Погодные условия и холод, отмечает ученый, причиняли ему и его коллегам гораздо меньше неудобств, чем статическое электричество во время запуска аэростатов. Однако они снова готовы отправиться почти к самому полюсу, вблизи которого приземлились аэростаты и где климатические условия наиболее сложные.
Новые данные и повторные запуски ANITA, как надеется Новиков, помогут прояснить одну из самых интересных загадок космоса и раскрыть некоторые тайны рождения Вселенной, наблюдая за частицами, которые могли путешествовать к Земле на протяжении многих миллиардов лет.
