Как массив размером с целую страну раскроет секреты космических лучей: амбициозный проект стартовал

Нейтрино роем пронизывают Вселенную, но обнаружить их очень сложно, поскольку они избегают взаимодействия с веществом. Для поиска этих почти невесомых частиц строят детекторы километрового размера во льду или под водой.

Новая ловушка для призрачных посланников космоса устроена совершенно иначе — и еще масштабнее. В пустыне Гоби строится гигантский радиомассив для обнаружения нейтрино, который станет одним из самых масштабных научных проектов в истории.

Название у нее подобающее — GRAND (Giant Radio Array for Neutrino Detection — гигантский радиомассив для обнаружения нейтрино). В пустыне Гоби построен прототип размером с аэропорт.

Первые результаты работы проекта представлены на Международной конференции по космическим лучам в Женеве. Цель проекта — обнаружить нейтрино сверхвысоких энергий и определить их источники, что позволит ученым лучше понять процессы, происходящие во Вселенной.

Антенный массив в Китае: первый шаг к сети детекторов размером с Великобританию

Антенный массив в Китае — первый шаг к сети детекторов общей площадью почти с целую Великобританию. Они будут фиксировать в атмосфере радиоимпульсы, порождаемые нейтрино сверхвысоких энергий, пронзающими Землю. Этот массив станет самым большим в мире детектором нейтрино и позволит ученым улавливать даже самые слабые сигналы.

"Эти частицы невероятно редки. Если мы увидим хотя бы одну, это уже будет потрясающе. А если мы увидим одну и сможем определить направление, откуда она пришла, это будет вдвойне удивительно", — говорит астрофизик Наоко Курахаcи Нилсон из Дрексельского университета.

Обнаружение даже одного нейтрино сверхвысокой энергии позволит ученым получить ценную информацию об источниках космических лучей и процессах, происходящих во Вселенной.

Установление источника: космические лучи и ускорители частиц

Выяснив направление, откуда прилетело нейтрино, можно будет наконец установить породивший его источник. Существование таких ускорителей уже доказывают космические лучи, бомбардирующие Землю с колоссальной энергией.

Считается, что эти протоны или другие легкие атомные ядра рождаются во взрывах сверхновых, при разрывании звезд сверхмассивными черными дырами или в процессах, где черные дыры разгоняют частицы до энергий в сотни раз выше, чем в самых мощных рукотворных ускорителях. Но поскольку космические лучи заряжены, магнитные поля в космосе искривляют их траектории, не позволяя отследить источник.

"Мы до сих пор очень мало знаем о происхождении космических лучей сверхвысоких энергий", — признает профессор Ольга Ботнер из Уппсальского университета.

На старте своего пути космические лучи часто сталкиваются с атомами межзвездной среды, порождая нейтрино несколько меньших энергий, которые летят к Земле по прямым траекториям.

"Нейтрино — это практически единственный способ получить почти прямую информацию о том, что происходит с частицами внутри источников", — поясняет Кумико Котера из Парижского института астрофизики (IAP).

KM3Net: обнаружение нейтрино с энергией 220 петаэлектронвольт

Одного такого редкого посланца в 2023 году зафиксировал телескоп KM3Net (Кубический километровый нейтринный телескоп) — подводный детектор на дне Средиземного моря, числящийся пока в статусе строящегося.

Он обнаружил нейтрино с энергией 220 петаэлектронвольт — в 30 раз выше, чем у любого ранее зарегистрированного, — но не смог определить его источник. Чтобы поймать больше таких нейтрино и точно определить их направления, требуется объем воды, значительно превышающий кубический километр.

Расширение возможностей: пролетающее сквозь земную кору нейтрино

Проект GRAND радикально расширит эти возможности. Нейтрино, пролетающее сквозь земную кору, иногда сталкивается с атомом в породе и порождает тау-лептон — частицу, похожую на электрон, но гораздо более массивную.

Если столкновение происходит близко к поверхности, короткоживущий тау-лептон может выйти в атмосферу и распасться, породив ливень вторичных заряженных частиц, который генерирует радиоимпульс.

Установка первых радиоантенн: регистрация характерных радиоимпульсов

Представители коллаборация GRAND сообщили на конференции об установке первых 60 из 300 запланированных радиоантенн в пустыне Гоби. Они уже фиксируют характерные радиоимпульсы, хотя их источником пока служат не нейтрино, а попадающие в атмосферу космические лучи, сталкивающиеся с молекулами воздуха на большой высоте.

Для регистрации нейтрино сверхвысоких энергий коллаборация GRAND планирует масштабироваться до двух массивов по 10 000 антенн каждый, покрывающих площадь более 100 км с каждой стороны.

В конечном итоге они хотят построить 20 таких массивов по всему миру. Одна из задач — максимально удешевить детекторы — 3,5-метровые стойки с проволочными антеннами в форме клеверного листа и другой аппаратурой. Соруководитель GRAND Оливье Мартино-Юин из IAP рассчитывает, что массовое производство может снизить стоимость антенны с 5000 до 500 евро.

Интересные факты о нейтрино

Нейтрино — самые распространенные частицы во Вселенной.
Существует три типа нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино.
Нейтрино почти не взаимодействуют с веществом, поэтому их очень сложно обнаружить.

В заключение, проект GRAND — это смелый и амбициозный проект, который может произвести революцию в нашем понимании Вселенной. Обнаружение нейтрино сверхвысоких энергий и определение их источников позволит ученым разгадать тайны космических лучей и узнать больше о процессах, происходящих в самых экстремальных условиях космоса.