Через несколько лет более пяти кубических километров морской воды превратятся в самый большой на Земле детектор космических частиц. Размещённая на дне Средиземного моря установка сможет уловить нейтрино, приходящие из центра Млечного Пути.

Проект KM3NeT (Cubic Kilometre Neutrino Telescope) развивает консорциум из 40 институтов 10 европейских стран. По числу детекторов и общему объёму KM3NeT в разы превзойдёт нынешнего рекордсмена — расположенную в Антарктике нейтринную обсерваторию IceCube, чьи пять с лишним тысяч сенсоров скрыты в толще льда на глубинах от 1,5 до 2,5 км.

Рис. 1. Только один из элементов телескопа превысит по высоте величайшее здание на Земле — Бурдж-Халифа. И таких колоссов в системе будет больше трёх сотен. Впрочем, увидеть их вместе в работе смогут только подводные роботы, поскольку расположатся эти тонкие вышки на глубине в 3–4 километра (иллюстрация KM3NeT).

По словам одного из исследователей, участвующих в проекте, Джорджио Риккобене (Giorgio Riccobene), KM3NeT по масштабу работ и размаху окажется второй конструкцией в истории после Великой китайской стены. Возможно, это некоторое преувеличение (достаточно вспомнить такие колоссы, как плотины ГЭС), и всё таки кубические километры, заполненные электроникой, – амбициозный проект.

Рис. 2. Cхема установки. Инженеры предусмотрели размещение всего массива колонн в виде круга или многоугольника в плане. На врезке показаны детекторы, призванные ловить следы от взаимодействия космических частиц и колоссальной массы воды (иллюстрация KM3NeT).

Подводный телескоп должен содержать до 320 вертикальных конструкций – так называемых единиц обнаружения. Каждая представляет собой набор тросов длиной 900 метров. Тросы эти будут закреплены на дне при помощи массивных якорей, а в вертикальном положении их будут поддерживать многометровые поплавки.

Рис. 3. Любопытно, что помимо изучения космоса установка KM3NeT поможет в исследованиях моря. Подводные гирлянды оснастят приборами для контроля за параметрами среды, телескоп также будет записывать песни китов и следить за глубоководными биолюминесцентными организмами (иллюстрация Marco Kraan, Nikhef).

На этих почти километровых струнах должны быть установлены так называемые этажи – шестиметровые поперечные рамы DOMBAR с двумя цифровыми оптическими модулями DOM на концах (как вариант возможны другие схемы размещения, вроде колец с фотодетекторами по периметру или треугольных рамок).

Рис. 4. Как и собратья, KM3NeT должен ловить взаимодействие нейтрино с земным шаром, в данном случае — с толщей воды и даже дна (жёлтая звёздочка). Такое событие порождает заряженные частицы (например, мюоны), движущиеся быстрее скорости света в данной среде (синяя линия). При этом частицы генерируют черенковское излучение, которое и ловят фотоумножители (иллюстрация KM3NeT).

Предполагается, что всего на каждой вертикальной гирлянде будет 20 этажей, разделённых расстоянием в 40 метров. Нижний этаж должен располагаться в ста метрах от дна моря. Огромная толща воды сверху (от полутора километров и больше) защитит детекторы от солнечного света.

Рис. 5. Вертикальный лес из множества кабелей будет снабжён чем-то вроде ступенек лестницы, несущих модули с электроникой (иллюстрации KM3NeT).

Каждый оптический модуль DOM – это прочная сфера диаметром 43 сантиметра, в которой размещён 31 фотоэлектронный умножитель и сопутствующая электроника.

Сделаны эти сферы будут из боросиликатного стекла и рассчитаны на давление при глубине в несколько километров. Причём отверстия для входа и выхода кабелей будут минимизированы по диаметру, для большей прочности всей конструкции.

Рис. 6. Помимо фотосенсоров сферы DOM содержат платы для считывания и передачи сигналов, различные калибровочные датчики, систему контроля за точным положением шара в пространстве и другие компоненты (иллюстрация KM3NeT).

Нетрудно посчитать, что по общему числу детекторов черенковского излучения (под четыреста тысяч — окончательный параметр будет ещё уточнён) новый нейтринный телескоп превзойдёт любого существующего собрата.

Но учёные объясняют, что средиземноморский титан будет самым передовым не только из-за размеров. Так, по угловому разрешению в 0,1 градуса (для нейтрино с энергией больше 10 ТэВ) он в десять раз превзойдёт IceCube, работающий во льду (лёд куда более неоднородная среда). У новичка должны быть хорошие параметры и по диапазону энергий нейтрино (начиная от сотен ГэВ и на несколько порядков выше). А ещё новый прибор будет чувствителен к нейтрино всех ароматов, уточняют физики.

Рис. 7. Институты консорциума в течение нескольких лет проверяли технические решения для KM3NeT на трёх пилотных детекторах нейтрино, построенных в Средиземном море. Это ANTARES, NEMO и NESTOR.

Справка NNN: ANTARES – крупнейший ныне нейтринный телескоп в северном полушарии. И всё же именно на KM3NeT астрофизики возлагают особые надежды. Вместе с «ледяным кубом» в Антарктике он составит «глобальный телескоп», способный осматривать всё небо в поисках далёких источников нейтрино (фотографии ANTARES, CNRS, Camille Moirenc, IN2P3, CPPM, CEA Irfu, L. Fabre, NEMO, I. Perrone).

Рис. 8. В ходе предварительных исследований авторы KM3NeT опробовали в открытом море оригинальный способ развёртывания кабелей с шариками-детекторами при помощи вращающегося контейнера (иллюстрации KM3NeT, Marijn van der Meer, Quest).

Консорциум полагает, что KM3NeT откроет новое окно во Вселенную. Телескоп на дне моря будет ловить нейтрино, возникающие в далёких гамма-вспышках, взрывах сверхновых, столкновениях звёзд.

KM3NeT сможет эффективно фиксировать потоки трудноуловимых частиц от пульсаров и микроквазаров. Он даже попробует поймать нейтринные пучки, испускаемые галактическим ядром.

Рис. 9. Сигналы с каждой единицы обнаружения будут собираться в несколько узлов, расположенных на дне, и, в конечном счёте, переправляться на берег. Авторы системы рассматривают две схемы прокладки кабелей с единым центром или внешним кольцом (иллюстрации KM3NeT).

Авторы затеи также надеются, что этой установке посчастливится впервые поймать нейтрино, возникающие при распаде гипотетических пока частиц нейтралино — кандидатов на составляющую тёмной материи.

Рис. 10. Для прокладки кабелей по дну моря авторы супертелескопа предполагают использовать дистанционно управляемые аппараты Cougar. Они пригодятся и для контроля за состоянием телескопа (фото с сайта seaeye.com).

В общем, гигант должен продвинуть вперёд астрофизику и космологию, физику высоких энергий и исследования космических лучей.

Рис. 11. Место установки супертелескопа ещё не выбрано. Учёные рассматривают три района: близ Тулона (треугольник на схеме), Капо-Пассеро (квадрат) и Пилоса (кружок). Причём последний вариант предусматривает четыре возможных участка. Глубины моря в этих районах составляют от 2,48 до 5,2 километра, а расстояния от предполагаемого расположения обсерватории до берега (оно важно, ведь по дну придётся тянуть кабели) колеблется от 15 до 100 км (иллюстрация KM3NeT).

В минувшем ноябре итальянское министерство образования и исследований (MIUR) одобрило выделение 20,8 миллиона евро для создания и развёртывания первых 30 единиц обнаружения KM3NeT. Общий бюджет строительства комплекса оценивается в 220–250 миллионов.

Рис. 12. Специально для развёртывания колоссальных подводных гирлянд европейцы построили большую плавающую платформу (фотографии KM3NeT).

Выбор окончательного дизайна системы и места её расположения должен состояться в конце 2011 или начале 2012 года (примерно до марта всё должно решиться). Вскоре после этого можно будет начать строить удивительный колосс.

Первые научные результаты от установки исследователи ожидают получить в 2014 году. При этом учёные подчёркивают преимущество модульной схемы: даже при развёртывании только части запланированных гирлянд с детекторами KM3NeT станет одним из самых мощных инструментов в своём роде.