Teleskop do wykrywania neutrin pod zamarzniętym jeziorem Bajkał w Rosji jest bliski uzyskania wyników naukowych po czterech dekadach niepowodzeń.
fot. Naukowcy rejestrują urządzenie wykrywające światło, jedno z 36, które zostaną zanurzone 700 metrów pod powierzchnią jeziora Bajkał w Rosji, jako część podwodnego detektora neutrin, który jest w trakcie budowy.
NA JEZIORZE BAJKAŁ - Szklana kula, wielkości piłki plażowej, wpada do przerębla w lodzie i opada na metalowej linie w kierunku dna najgłębszego jeziora świata. Potem kolejna, i kolejna.
Te wykrywające światło kule spoczywają zawieszone w ciemności aż do 1220 metrów pod powierzchnią. Na kablu, który je przenosi, znajduje się 36 takich kul, rozmieszczonych w odległości 15 metrów od siebie. Istnieją 64 takie kable, utrzymywane w miejscu przez kotwice i boje, trzy kilometry od poszarpanego południowego wybrzeża tego jeziora na Syberii, którego dno znajduje się ponad 1,5 kilometra niżej.
Jest to teleskop, największy tego typu na półkuli północnej, zbudowany w celu badania czarnych dziur, odległych galaktyk i pozostałości po eksplodujących gwiazdach. Czyni to poprzez poszukiwanie neutrin, kosmicznych cząstek tak małych, że w każdej sekundzie przez każdego z nas przelatuje ich bilion. Naukowcy uważają, że gdybyśmy tylko mogli nauczyć się odczytywać wiadomości, które niosą, moglibyśmy nakreślić wszechświat i jego historię w sposób, którego nie jesteśmy jeszcze w stanie w pełni zgłębić.
"Nigdy nie należy przegapić okazji, by zadać naturze jakiekolwiek pytanie" - powiedział Grigori V. Domogacki, 80-letni rosyjski fizyk, który przez 40 lat kierował pracami mającymi na celu zbudowanie podwodnego teleskopu.
Po przerwie dodał:
Te wykrywające światło kule spoczywają zawieszone w ciemności aż do 1220 metrów pod powierzchnią. Na kablu, który je przenosi, znajduje się 36 takich kul, rozmieszczonych w odległości 15 metrów od siebie. Istnieją 64 takie kable, utrzymywane w miejscu przez kotwice i boje, trzy kilometry od poszarpanego południowego wybrzeża tego jeziora na Syberii, którego dno znajduje się ponad 1,5 kilometra niżej.
Jest to teleskop, największy tego typu na półkuli północnej, zbudowany w celu badania czarnych dziur, odległych galaktyk i pozostałości po eksplodujących gwiazdach. Czyni to poprzez poszukiwanie neutrin, kosmicznych cząstek tak małych, że w każdej sekundzie przez każdego z nas przelatuje ich bilion. Naukowcy uważają, że gdybyśmy tylko mogli nauczyć się odczytywać wiadomości, które niosą, moglibyśmy nakreślić wszechświat i jego historię w sposób, którego nie jesteśmy jeszcze w stanie w pełni zgłębić.
"Nigdy nie należy przegapić okazji, by zadać naturze jakiekolwiek pytanie" - powiedział Grigori V. Domogacki, 80-letni rosyjski fizyk, który przez 40 lat kierował pracami mającymi na celu zbudowanie podwodnego teleskopu.
Po przerwie dodał:
"Nigdy nie wiesz, jaką odpowiedź otrzymasz".
Urządzenie nadal jest w budowie, ale teleskop, o którym dr Domogacki i inni naukowcy od dawna marzyli, jest bliżej niż kiedykolwiek dostarczenia wyników. Polowanie na neutrina z odległych zakątków kosmosu, obejmujące różne epoki w geopolityce i astrofizyce, rzuca światło na to, jak Rosja zdołała zachować część naukowej biegłości, która charakteryzowała Związek Radziecki - a także na ograniczenia tego dziedzictwa.
Przedsięwzięcie nad jeziorem Bajkał nie jest jedyną próbą poszukiwania neutrin w najbardziej odległych zakątkach świata. Dziesiątki instrumentów poszukują tych cząstek w specjalistycznych laboratoriach na całej planecie. Jednak nowy rosyjski projekt będzie ważnym uzupełnieniem pracy IceCube, największego na świecie teleskopu neutrinowego, projektu prowadzonego przez Amerykanów i wartego 279 milionów dolarów, który obejmuje około ćwierć mili sześciennej lodu na Antarktydzie.
Grigori V. Domogacki, rosyjski fizyk, od 40 lat prowadzi starania o budowę obserwatorium.
Teleskop znajduje się dwie mile od południowego wybrzeża jeziora Bajkał na Syberii. Dno jeziora znajduje się ponad milę niżej, co czyni je najgłębszym jeziorem na świecie.
Naukowiec Yevgeny Pliskovsky monitoruje przyrządy w budynku przy brzegu jeziora Bajkał.
Używając siatki detektorów światła podobnych do teleskopu Bajkał, IceCube zidentyfikował w 2017 roku neutrino, które według naukowców prawie na pewno pochodziło z supermasywnej czarnej dziury. Był to pierwszy raz, kiedy naukowcy wskazali źródło wysokoenergetycznych cząstek z kosmosu znanych jako promienie kosmiczne - przełom dla astronomii neutrinowej, gałęzi, która wciąż pozostaje w powijakach.
Osoby zajmujące się tą dziedziną wierzą, że w miarę jak będą uczyć się odczytywać wszechświat za pomocą neutrin, mogą dokonywać nowych, nieoczekiwanych odkryć - podobnie jak twórcy soczewek, którzy jako pierwsi opracowali teleskop, nie mogli sobie wyobrazić, że Galileusz użyje go później do odkrycia księżyców Jowisza.
"To tak, jakbyśmy patrzyli w nocy na niebo i widzieli jedną gwiazdę" - powiedział w wywiadzie telefonicznym Francis L. Halzen, astrofizyk z Uniwersytetu Wisconsin w Madison i dyrektor IceCube, opisując obecny stan poszukiwań widmowych cząstek.
Wczesne prace radzieckich naukowców pomogły zainspirować dr Halzena w latach 80. do zbudowania detektora neutrin w lodzie Antarktydy. Obecnie dr Halzen twierdzi, że jego zespół uważa, że być może znalazł dwa dodatkowe źródła neutrin przybywających z głębi kosmosu - ale trudno jest mieć pewność, ponieważ nikt inny ich nie wykrył. Ma on nadzieję, że to się zmieni w najbliższych latach, gdy teleskop Bajkał będzie się powiększał.
"Musimy być superkonserwatywni, ponieważ w tej chwili nikt nie może sprawdzić, co robimy" - powiedział dr Halzen. "To dla mnie ekscytujące, że mam kolejny eksperyment, z którym mogę współdziałać i wymieniać dane".
W latach 70., pomimo zimnej wojny, Amerykanie i Sowieci pracowali razem, aby zaplanować pierwszy głębokowodny detektor neutrin u wybrzeży Hawajów. Jednak po inwazji Związku Radzieckiego na Afganistan, Sowieci zostali wyrzuceni z projektu. Tak więc w 1980 roku Instytut Badań Jądrowych w Moskwie rozpoczął własne prace nad teleskopem neutrinowym, prowadzone przez dr Domogackiego. Miejsce prób wydawało się oczywiste, choć było oddalone o około 2500 mil: Bajkał.
Projekt nie wyszedł daleko poza fazę planowania i projektowania, zanim rozpadł się Związek Radziecki, pogrążając wielu naukowców z tego kraju w ubóstwie, a ich wysiłki w chaosie. Jednak instytut pod Berlinem, który wkrótce stał się częścią niemieckiego centrum badań cząstek elementarnych DESY, przyłączył się do projektu Bajkał.
Christian Spiering, który kierował niemieckim zespołem, wspomina, że wysyłał setki funtów masła, cukru, kawy i kiełbasy, aby utrzymać coroczne zimowe wyprawy na lód Bajkału. Przywiózł również do Moskwy tysiące dolarów w gotówce, aby uzupełnić skromne pensje Rosjan.
Dr Domogacki i jego zespół nie ustawali w wysiłkach. Kiedy litewski producent elektroniki odmówił przyjęcia rubla jako zapłaty, jeden z fizyków wynegocjował, że zapłaci wagonem kolejowym pełnym drewna cedrowego - wspomina dr Spiering.
W rozmowie z dr Spieringiem dr Domogacki porównał kiedyś swoich naukowców do żaby z rosyjskiego przysłowia, która wpadła do kadzi z mlekiem i miała tylko jeden sposób na przeżycie:
Osoby zajmujące się tą dziedziną wierzą, że w miarę jak będą uczyć się odczytywać wszechświat za pomocą neutrin, mogą dokonywać nowych, nieoczekiwanych odkryć - podobnie jak twórcy soczewek, którzy jako pierwsi opracowali teleskop, nie mogli sobie wyobrazić, że Galileusz użyje go później do odkrycia księżyców Jowisza.
"To tak, jakbyśmy patrzyli w nocy na niebo i widzieli jedną gwiazdę" - powiedział w wywiadzie telefonicznym Francis L. Halzen, astrofizyk z Uniwersytetu Wisconsin w Madison i dyrektor IceCube, opisując obecny stan poszukiwań widmowych cząstek.
Wczesne prace radzieckich naukowców pomogły zainspirować dr Halzena w latach 80. do zbudowania detektora neutrin w lodzie Antarktydy. Obecnie dr Halzen twierdzi, że jego zespół uważa, że być może znalazł dwa dodatkowe źródła neutrin przybywających z głębi kosmosu - ale trudno jest mieć pewność, ponieważ nikt inny ich nie wykrył. Ma on nadzieję, że to się zmieni w najbliższych latach, gdy teleskop Bajkał będzie się powiększał.
"Musimy być superkonserwatywni, ponieważ w tej chwili nikt nie może sprawdzić, co robimy" - powiedział dr Halzen. "To dla mnie ekscytujące, że mam kolejny eksperyment, z którym mogę współdziałać i wymieniać dane".
W latach 70., pomimo zimnej wojny, Amerykanie i Sowieci pracowali razem, aby zaplanować pierwszy głębokowodny detektor neutrin u wybrzeży Hawajów. Jednak po inwazji Związku Radzieckiego na Afganistan, Sowieci zostali wyrzuceni z projektu. Tak więc w 1980 roku Instytut Badań Jądrowych w Moskwie rozpoczął własne prace nad teleskopem neutrinowym, prowadzone przez dr Domogackiego. Miejsce prób wydawało się oczywiste, choć było oddalone o około 2500 mil: Bajkał.
Projekt nie wyszedł daleko poza fazę planowania i projektowania, zanim rozpadł się Związek Radziecki, pogrążając wielu naukowców z tego kraju w ubóstwie, a ich wysiłki w chaosie. Jednak instytut pod Berlinem, który wkrótce stał się częścią niemieckiego centrum badań cząstek elementarnych DESY, przyłączył się do projektu Bajkał.
Christian Spiering, który kierował niemieckim zespołem, wspomina, że wysyłał setki funtów masła, cukru, kawy i kiełbasy, aby utrzymać coroczne zimowe wyprawy na lód Bajkału. Przywiózł również do Moskwy tysiące dolarów w gotówce, aby uzupełnić skromne pensje Rosjan.
Dr Domogacki i jego zespół nie ustawali w wysiłkach. Kiedy litewski producent elektroniki odmówił przyjęcia rubla jako zapłaty, jeden z fizyków wynegocjował, że zapłaci wagonem kolejowym pełnym drewna cedrowego - wspomina dr Spiering.
W rozmowie z dr Spieringiem dr Domogacki porównał kiedyś swoich naukowców do żaby z rosyjskiego przysłowia, która wpadła do kadzi z mlekiem i miała tylko jeden sposób na przeżycie:
"Musi się ruszać, aż mleko zamieni się w masło".
Wschodzące słońce nad jeziorem Bajkał. Trzy stopy lodu pokrywają jezioro w zimie, co stanowi idealną platformę do zainstalowania podwodnej matrycy fotopowielacza.
Naukowcy robią sobie przerwę na herbatę w furgonetce na terenie obserwatorium.
Boje czekają na sparowanie z kulistymi detektorami światła, zanim zostaną zanurzone pod lodem.
Do połowy lat 90. rosyjskiemu zespołowi udało się zidentyfikować neutrina "atmosferyczne", czyli powstałe w wyniku zderzeń w ziemskiej atmosferze, ale nie te przybywające z kosmosu. Do tego potrzebny byłby większy detektor. Gdy w latach 2000 Rosja pod rządami prezydenta Władimira Putina zaczęła ponownie inwestować w naukę, dr Domogacki zdołał zabezpieczyć ponad 30 milionów dolarów funduszy na budowę nowego teleskopu Bajkał, tak dużego jak IceCube.
Jezioro jest głębokie na milę, ma jedne z najczystszych słodkich wód na świecie, a południowy brzeg wygodnie omija linia kolejowa. Co najważniejsze, zimą pokrywa je warstwa lodu o grubości trzech stóp: idealna platforma do zainstalowania podwodnej matrycy fotopowielaczowej.
"To tak, jakby Bajkał był stworzony do tego typu badań" - powiedział Bair Shaybonov, naukowiec biorący udział w projekcie.
Budowa rozpoczęła się w 2015 roku, a pierwszy etap obejmujący 2 304 zawieszone w głębinach przyrządy wykrywające światło ma zostać ukończony do czasu stopienia się lodu w kwietniu. (Orby pozostają zawieszone w wodzie przez cały rok, wypatrując neutrin i przesyłając dane do bazy naukowców na brzegu jeziora za pomocą podwodnego kabla). Teleskop zbiera dane już od lat, ale rosyjski minister nauki, Walerij N. Falkow, zanurzył w lodzie piłę łańcuchową w ramach przygotowanej dla telewizji ceremonii otwarcia w tym miesiącu.
Teleskop Bajkał patrzy w dół, przez całą planetę, na drugą stronę, w kierunku centrum naszej galaktyki i dalej, zasadniczo używając Ziemi jako gigantycznego sita. W większości przypadków większe cząstki uderzające w przeciwną stronę planety zderzają się z atomami. Jednak prawie wszystkie neutrina - 100 miliardów z nich przechodzi przez opuszek Twojego palca w każdej sekundzie - poruszają się po linii prostej.
Jednak gdy neutrino, niezmiernie rzadko, uderzy w jądro atomowe w wodzie, wytwarza stożek niebieskiego światła zwany promieniowaniem Czerenkowa. Efekt ten został odkryty przez radzieckiego fizyka Pawła A. Czerenkowa, jednego z byłych współpracowników dr Domogackiego w jego instytucie w Moskwie.
Wielu fizyków uważa, że jeśli spędzisz lata na monitorowaniu miliarda ton głębokiej wody w poszukiwaniu niewyobrażalnie małych błysków światła Czerenkowa, to w końcu znajdziesz neutrina, które mogą być przypisane do kosmicznych eksplozji, które wyemitowały je miliardy lat świetlnych stąd.
Orientacja niebieskich stożków ujawnia nawet dokładny kierunek, z którego przybyły neutrina, które je wywołały. Ponieważ neutrina nie posiadają ładunku elektrycznego, nie wpływają na nie międzygwiezdne i międzygalaktyczne pola magnetyczne oraz inne wpływy, które zakłócają ścieżki innych typów cząstek kosmicznych, takich jak protony i elektrony. Neutrina idą tak prosto przez wszechświat, jak tylko pozwala na to Einsteinowska grawitacja.
To właśnie sprawia, że neutrina są tak cenne w badaniu najwcześniejszych, najbardziej odległych i najbardziej gwałtownych wydarzeń we wszechświecie. Mogą one również pomóc w wyjaśnieniu innych tajemnic, takich jak to, co dzieje się, gdy gwiazdy znacznie masywniejsze od Słońca zapadają się w gęstą kulę neutronów o średnicy około 20 kilometrów - emitując ogromne ilości neutrin.
Jezioro jest głębokie na milę, ma jedne z najczystszych słodkich wód na świecie, a południowy brzeg wygodnie omija linia kolejowa. Co najważniejsze, zimą pokrywa je warstwa lodu o grubości trzech stóp: idealna platforma do zainstalowania podwodnej matrycy fotopowielaczowej.
"To tak, jakby Bajkał był stworzony do tego typu badań" - powiedział Bair Shaybonov, naukowiec biorący udział w projekcie.
Budowa rozpoczęła się w 2015 roku, a pierwszy etap obejmujący 2 304 zawieszone w głębinach przyrządy wykrywające światło ma zostać ukończony do czasu stopienia się lodu w kwietniu. (Orby pozostają zawieszone w wodzie przez cały rok, wypatrując neutrin i przesyłając dane do bazy naukowców na brzegu jeziora za pomocą podwodnego kabla). Teleskop zbiera dane już od lat, ale rosyjski minister nauki, Walerij N. Falkow, zanurzył w lodzie piłę łańcuchową w ramach przygotowanej dla telewizji ceremonii otwarcia w tym miesiącu.
Teleskop Bajkał patrzy w dół, przez całą planetę, na drugą stronę, w kierunku centrum naszej galaktyki i dalej, zasadniczo używając Ziemi jako gigantycznego sita. W większości przypadków większe cząstki uderzające w przeciwną stronę planety zderzają się z atomami. Jednak prawie wszystkie neutrina - 100 miliardów z nich przechodzi przez opuszek Twojego palca w każdej sekundzie - poruszają się po linii prostej.
Jednak gdy neutrino, niezmiernie rzadko, uderzy w jądro atomowe w wodzie, wytwarza stożek niebieskiego światła zwany promieniowaniem Czerenkowa. Efekt ten został odkryty przez radzieckiego fizyka Pawła A. Czerenkowa, jednego z byłych współpracowników dr Domogackiego w jego instytucie w Moskwie.
Wielu fizyków uważa, że jeśli spędzisz lata na monitorowaniu miliarda ton głębokiej wody w poszukiwaniu niewyobrażalnie małych błysków światła Czerenkowa, to w końcu znajdziesz neutrina, które mogą być przypisane do kosmicznych eksplozji, które wyemitowały je miliardy lat świetlnych stąd.
Orientacja niebieskich stożków ujawnia nawet dokładny kierunek, z którego przybyły neutrina, które je wywołały. Ponieważ neutrina nie posiadają ładunku elektrycznego, nie wpływają na nie międzygwiezdne i międzygalaktyczne pola magnetyczne oraz inne wpływy, które zakłócają ścieżki innych typów cząstek kosmicznych, takich jak protony i elektrony. Neutrina idą tak prosto przez wszechświat, jak tylko pozwala na to Einsteinowska grawitacja.
To właśnie sprawia, że neutrina są tak cenne w badaniu najwcześniejszych, najbardziej odległych i najbardziej gwałtownych wydarzeń we wszechświecie. Mogą one również pomóc w wyjaśnieniu innych tajemnic, takich jak to, co dzieje się, gdy gwiazdy znacznie masywniejsze od Słońca zapadają się w gęstą kulę neutronów o średnicy około 20 kilometrów - emitując ogromne ilości neutrin.
Stary budynek kolejowy na południowym krańcu jeziora został przebudowany na jadalnię dla naukowców pracujących w obserwatorium.
Wzory w lodzie na powierzchni jeziora.
Pomimo znaczenia projektu, operuje on skromnym budżetem, a prawie wszyscy z około 60 naukowców spędzają luty i marzec w swoim obozie w Bajkale, instalując i naprawiając jego elementy.
"Przemierza ono wszechświat, zderzając się praktycznie z niczym i z nikim" - powiedział o neutrinie dr Domogacki.
"Dla niego wszechświat jest przezroczystym światem".
Ponieważ zasadniczo patrzy on przez planetę, teleskop Bajkał bada niebo półkuli południowej. To sprawia, że jest on uzupełnieniem IceCube na Antarktydzie, wraz z europejskim projektem w basenie Morza Śródziemnego, który jest we wcześniejszej fazie budowy.
"Potrzebujemy odpowiednika IceCube na półkuli północnej" - powiedział dr Spiering, który nadal jest zaangażowany zarówno w projekt IceCube, jak i Bajkał.
Dr Domogacki mówi, że jego zespół już wymienia dane z łowcami neutrin w innych miejscach, i że znalazł dowody potwierdzające wnioski IceCube na temat neutrin przybywających z kosmosu. Przyznaje jednak, że projekt Bajkał pozostaje daleko w tyle za innymi, jeśli chodzi o rozwój oprogramowania komputerowego niezbędnego do identyfikacji neutrin w czasie zbliżonym do rzeczywistego.
Pomimo znaczenia projektu, nadal działa on przy bardzo ograniczonym budżecie - prawie wszyscy z około 60 naukowców pracujących nad teleskopem spędzają luty i marzec w obozie nad Bajkałem, instalując i naprawiając jego elementy. Z kolei w projekcie IceCube bierze udział około 300 naukowców, z których większość nigdy nie była na biegunie południowym.
Obecnie dr Domogacki nie bierze już udziału w corocznych zimowych wyprawach nad Bajkał. Ale nadal pracuje w tym samym instytucie z czasów sowieckich, w którym utrzymywał swoje marzenie o neutrinach przez komunizm, chaotyczne lata 90. i ponad dwie dekady rządów Putina.
"Jeśli podejmujesz się jakiegoś projektu, musisz zrozumieć, że trzeba go zrealizować w każdych warunkach, jakie się pojawią" - powiedział dr Domogacki, uderzając w biurko dla podkreślenia.
"W przeciwnym razie nie ma sensu nawet zaczynać".
Źródło: nytimes.com
