Kubisk kilometer af videnskab

Kubisk kilometer af videnskab

Dmitry Mamontov
"Popular Mechanics" №2, 2014

Om et par år skal et af de største og mest interessante instrumenter i astronomiets historie tages i brug – KM3NeT neutrino teleskopet ligger dybt under Middelhavet.

Astronomer studerer de processer, der forekommer i universet på en betydelig afstand fra os ved hjælp af observationsmetoden. På overfladen af ​​planeten og i rummet er der mange observatorier, der optager stråling i en bred vifte af intervaller – fra radiobølger til højtydende gammastråler.

For at installere sensorerne til neutrino-teleskopet under vand blev der designet en speciel sfærisk beholder, hvor et kabel med optiske moduler, der blev fastgjort til det, blev monteret på en særlig måde. Beholderen faldt ned til bunden, og blev derefter frigivet fra ankeret med et akustisk signal og begyndte at flyde, udpakning af kablet. Surfaced container hentet til genanvendelse

Imidlertid kan elektromagnetisk stråling, der når jordobservatører fra universets udvidelser, absorberes og forvrænges. Men der er partikler, der ikke absorberes, selv når de fordeles over meget lange afstande. Dette er en neutrino.Sandt nok er der også den anden side af mønten – takket være den samme egenskab er neutriner, der virker svagt med materie, meget vanskelige at opdage.

For at registrere neutrinoer og bestemme disse partiers energi (for at skelne vores "lokale" solnutrinoer fra deres høj-energi-modparter, der fløj fra dyb rum), er der brug for ekstremt følsomme instrumenter og enorme mængder materiale, der virker i forbindelse med neutrinoer.

For eksempel is, som i den for nylig bygget på Antarctic station Amundsen-Scott neutrino teleskop IceCube ("Ice Cube"). Og i de kommende år vil et instrument med fortællingsnavnet KM3NeT (KM3 Neutrino Telescope, et "neutrino teleskop på kubik kilometer") fyldt med tusindvis af overfølsomme sensorer blive bygget i Middelhavet.

Under vandet

KM3NeT er ikke bygget helt fra bunden. I øjeblikket giver Middelhavet gæstfrihed sin dybde for ANTARES-projektet for neutrino-astronomi (Astronomi med et Neutrino Telescope og Abyss Environmental RESearch-projekt) ud for Toulons kyst. Sammen med et andet projekt NEMO (NEutrino Middelhavet Observatorium), som faktisk blev prototypen af ​​det kubikmeter teleskop, vil ANTARES indgå i et meget større internationalt projekt KM3NeT.

"KM3NeT er det mest moderne projekt af neutrino-astronomi", siger Evgeny Shirokov, forsker ved den atomkraftige atomkomponentens atomkraftforskningsinstitut, der er opkaldt efter D.V. Skobeltsyn, Moscow State University. at det vil blive bestilt i 2016-2017, hvorefter det vil begynde at optage astrofysiske neutrinoer fra fjerne stjerner, galaktiske kerner, supernovaer.

Middelhavet Neutrino Teleskop er en vertikal struktur. Den indeholder et sæt 320 kabler 900 m lange, som fastgøres i bunden ved hjælp af ankre. For at opretholde kablerne i lodret stilling, vil de være udstyret med flyder. Seks meter ramme med digitale optiske moduler på enderne fastgøres over kablerne. Det er planlagt at arrangere 20 sådanne etager af rammer, adskilt med en afstand på 40 m. Den nederste etage vil blive placeret hundrede meter fra havets bund. En vandkolonne øverst på mindst 2 km beskytter teleskopet mod sollys. "

Kombinationen af ​​den relativt lave strøm af kosmetiske neutriner med høj energi og deres svage interaktion med materiale kræver meget massive detektorer (1012 kg).En af mulighederne er at anvende naturlige reservoirer til at rumme tredimensionelle arrays af optiske moduler, placere dem under niveauet af dagslysbelysning (ca. 1 km) og endnu dybere for at minimere strålingsdetektors eksponering for stråling frembragt ved interaktion mellem kosmiske stråler med vand

Åbn det andet øje

Evgeny Shirokov, Forsker, Institut for Elektromagnetiske Processer og Interaktioner af Atom Nuclei, Forskningsinstitut for Kernfysik opkaldt efter D.V. Skobeltsyna MSU:
"KM3NeT vil supplere IceCube Antarktis-teleskopet. Med disse to teleskoper kan du oprette et globalt observatorium for neutrino, der overvåger neutrino-begivenheder i hele himmelske sfæren"

Hvorfor har du brug for et middelhavs teleskop, hvis du allerede har et sådant værktøj i Sydpolen? Faktum er, at alle neutrino detektorer af denne type, uanset om de er under jorden eller under vandet, "ser" ikke op, men ned – gennem tykkelsen af ​​planeten, som virker som et "lysfilter", der forsinker alle partikler undtagen neutrinos. Derfor, som Eugene Shirokov forklarer, ser du ned på sydpolen, ser du neutriner fra den nordlige halvkugle: "Antarktisinstrumentet IceCube ser kun halvdelen af ​​det himmelske kugle.

For at se anden halvdel, som indeholder det meste af den galaktiske disk, herunder vores galakse, har du brug for et teleskop placeret på den nordlige halvkugle af planeten. Derfor vil KM3NeT være en "add-on" af IceCube. Ved hjælp af disse to teleskoper kan du oprette et globalt observatorium for neutrino, der registrerer neutrino-hændelser, uanset hvilken del af den himmelske sfære de forekommer. Dette projekt vil dog kun være muligt i 2018-2019, men først skal du oprette et kubik kilometer teleskop på den nordlige halvkugle. "

Russiske forskere er aktivt involveret i dette projekt. INP MSU udviklede prototyper af fotomultiplikatorer til NEMO neutrino teleskopet, som var et projekt fra National Institute of Nuclear Physics of Italy (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, INFN). Optiske moduler, hvis design indbefatter fotomultiplikatorer, vil nu fungere som en del af KM3NeT detektor design. Der vil være mere end 5000 sådanne moduler i KM3NeT, omtrent det samme antal optiske moduler omfatter det største neutrino observatorium i dag – Antarktis IceCube. Og i ANTARES, som bliver en integreret del af KM3NeT, er der kun 500 stykker, så skalaen vil stige 10-12 gange.

Levende lys

Digitale optiske moduler, der er oprettet til KM3NeT-projektet, har ekstremt høj følsomhed. Derfor er neutrino observatorier placeret på store dybder under isen, under jorden eller under vand, som pålideligt beskytter detektorerne fra sidebelysning. "Men faktum er, at i havvand, selv i store dybder på 3-3,5 km, lever mange skabninger, der lyser deres vej i mørket," forklarer Yevgeny Shirokov. "Simpelthen sætter de glød, og deres glød har betydeligt større intensitet end Cherenkov-stråling, så denne bioluminescens skaber en belysning af detektorerne, der forstyrrer signifikant driften af ​​teleskopet. Derfor var opgaven hos vores gruppe at skabe et program, der kunne fjerne det fremmede signal af biologisk oprindelse fra de data, vi modtager fra teleskopet . Dette blev gjort ved min kollega Vladimir Kulikovskii der praktiserede metode ved detektorer ANTARES teleskop. "

Neutrino øjne

Funktionsprincippet for KM3NeT neutrino teleskopet er baseret på det faktum, at neutrino, når det interagerer med materie, forårsager dannelsen af ​​en muon, som, der bevæger sig i vand, frembringer Cherenkov-stråling.Denne stråling kan detekteres af følsomme optiske moduler.

Digitale optiske moduler til KM3NeT er kugler af gennemsigtig plastik med en diameter på 43 cm, hvilket beskytter den skrøbelige påfyldning fra trykket af en søvandskolonne flere kilometer.

Hvert digitalt optisk modul har 31 fotomultiplikatorer samt kalibreringsudstyr: et kompas, vippesensorer til bestemmelse af modulets position i dybden, en sonar piezomikrofon til modtagelse af ekkolodsignaler og bestemmelse af modulets koordinater og et miniature LED-stråle, der kan antændes med et signal til kalibrering følsomhed hos tilstødende moduler. I hvert område er der to elektroniske moduler med ansvar for indsamling af signaler, hver i sin egen halvkugle. Den indsamlede information overføres via fiberoptisk kabel. Fotomultiplikatorerne er fastgjort i to tredimensionale strukturer fremstillet ved 3D-udskrivning: den ene på den nederste halvkugle understøtter 19 fotomultiplikatorer og en hydroakustisk piezo-mikrofon, den anden i de øverste 12 fotomultiplikatorer og et LED-stråle. Elektronik kølesystemet er monteret på toppen af ​​kuglen.Tætheden sikres af pakninger, og efter samling er kuglen desuden forseglet udefra med et specialtape.

Hør neutrinoen

"Vi begynder nu at engagere os i en meget interessant, men dårligt forstået retning – neutrino undervandsakustik," tilføjer Yevgeny Shirokov. "Ideen er at registrere neutrinos ikke ved hjælp af lys, men ved hjælp af et akustisk signal, der opstår, når neutrinos interagerer med stof i vand. Denne metode kan give os meget store fordele, fordi det akustiske signal udbreder sig meget langt i forhold til Cherenkov-strålingen, hvor alle neutrino detektorer nu arbejder.

Det akustiske signal spredes over mange kilometer, og hvis der blev skabt installationer baseret på neutrino hydroakustik i fremtiden, kunne de have et volumen ikke i kubik kilometer, men i hundredvis af kubik kilometer. Effektiviteten af ​​neutrino observationer vil øge ved størrelsesorden! Det er sandt, det er en ganske vanskelig opgave – endnu er der ingen klar forståelse af mekanismen for, hvordan ultrahøj energi partikler skaber et akustisk signal af en bestemt form.Derudover er værktøjer til en så stor anvendelse stadig meget dyre. Men vi arbejder allerede på det. "


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: