1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 83, № 8, 2019

Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 8, стр. 1016-1018

Baikal-GVD – нейтринный телескоп следующего поколения на озере Байкал

А. В. Аврорин 1, А. Д. Аврорин 1, В. М. Айнутдинов 1, *, Р. Баннаш 7, И. А. Белолаптиков 2, В. Б. Бруданин 2, Н. М. Буднев 3, А. Р. Гафаров 3, К. В. Голубков 1, Т. И. Гресь 3, Ж.-А. М. Джилкибаев 1, Г. В. Домогатский 1, А. А. Дорошенко 1, А. Н. Дьячок 3, Р. Дворницкий 2, 8, А. В. Загородников 3, В. Л. Зурбанов 3, К. Г. Кебкал 7, А. Г. Кебкал 7, В. А. Кожин 4, М. М. Колбин 2, К. В. Конищев 2, А. П. Коробченко 2, А. П. Кошечкин 1, В. Ф. Кулепов 5, Д. А. Кулешов 1, М. Б. Миленин 5, Р. А. Миргазов 3, Е. Р. Осипова 4, А. И. Панфилов 1, Л. В. Паньков 3, Д. П. Петухов 1, Е. Н. Плисковский 2, М. И. Розанов 6, В. Д. Рушай 2, Е. В. Рябов 3, Г. Б. Сафронов 2, Ф. Симкович 2, 8, А. В. Скурихин 4, А. Г. Соловьев 2, М. Н. Сороковиков 2, О. В. Суворова 1, В. А. Таболенко 3, Б. А. Таращанскиий 3, Л. Файт 2, 8, 9, С. В. Фиалковский 5, З. Хонц 2, Е. В. Храмов 2, М. Д. Шелепов 1, Б. А. Шойбонов 2, И. Штекл 2, 9, С. А. Яковлев 7

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук
Москва, Россия

2 Международная межправительственная организация Объединенный институт ядерных исследований
Дубна, Россия

3 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Иркутский государственный университет”
Иркутск, Россия

4 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова”, Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына
Москва, Россия

5 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Нижегородский государственный технический университет имени Р.Е. Алексеева”
Нижний Новгород, Россия

6 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Санкт-петербургский государственный морской технический университет”
Санкт-Петербург, Россия

7 Общество с ограниченной ответственностью “EvoLogics”
Берлин, Германия

8 Университет имени Коменского
Братислава, Словакия

9 Чешский технический университет
Прага, Чехия

* E-mail: aynutdin@yandex.ru

Поступила в редакцию 10.10.2018
После доработки 20.02.2019
Принята к публикации 26.04.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

В настоящее время в оз. Байкал осуществляется развертывание нейтринного телескопа нового поколения – глубоководного черенковского детектора кубокилометрового масштаба Baikal-GVD. В данной работе представлены состояние работ по созданию телескопа и первые физические результаты, полученные на установке.

ВВЕДЕНИЕ

Глубоководные нейтринные телескопы предназначены для исследований высокоэнергичных процессов в астрофизических объектах и во Вселенной в целом с помощью нейтрино высоких энергий. Нейтринные телескопы первого поколения были созданы последовательно на оз. Байкал (НТ200, 1998 г.), в Антарктиде на Южном полюсе (AMANDA, 2000 г.) и в Средиземном море (ANTARES, 2008 г.). Успешная эксплуатация этих детекторов инициировала создание нейтринных телескопов следующего поколения, с размерами масштаба кубического километра. К наиболее значимым из введенных в эксплуатацию и проектируемых в настоящее время нейтринных телескопов следует отнести IceCube, Baikal-GVD и KM3NeT, которые формируют единую сеть установок “Global Neutrino Network”. План создания телескопа Baikal-GVD [1] включает два этапа. В результате завершения первого этапа (2020–2021) будет создана установка, состоящая из 2304 оптических модулей, с эффективным объемом 0.4 км3. На следующем этапе эффективный объем будет увеличен до 1.5 км3.

ОПИСАНИЕ ТЕЛЕСКОПА BAIKAL-GVD

Байкальский нейтринный телескоп представляет собой пространственную структуру оптических модулей (ОМ), сгруппированных в кластеры. Каждый кластер включает в свой состав 288 ОМ, размещенных на 8 вертикальных гирляндах. Длина гирлянды составляет 525 м, расстояния между гирляндами 60 м, расстояния между кластерами 300 м. К 2018 г. в оз. Байкал введено в эксплуатацию три таких кластера.

Общий вид установки показан на рис. 1. Принцип работы детектора основан на регистрации черенковского излучения вторичных мюонов и каскадных ливней, образующихся в нейтринных взаимодействиях, набором оптических модулей. В качестве светочувствительных элементов ОМ используются ФЭУ R7081-100 с фотокатодом диаметром 10 дюймов и квантовой чувствительностью ~35% [2]. Сигналы с ФЭУ усиливаются и формируются по длительности (~40 нс), после чего передаются на АЦП для измерения формы импульсов (частота дискретизации 200 МГц). Блоки АЦП расположены в отдельных глубоководных модулях, которые обслуживают до 12 ОМ [3]. Анализ формы импульсов позволяет определить количество сигналов, поступающих с фотоэлектронных умножителей, их заряд и время регистрации. На основании измерений времени регистрации импульсов и их зарядов на всех сработавших каналах установки определяются основные параметры событий: направление и энергия мюонов и каскадных ливней, образовавшихся в результате нейтринных взаимодействий. Точность восстановления направления треков мюонов составляет величину ~0.5°, а энергии каскадных ливней около 20%.

Рис. 1.

Три кластера нейтринного телескопа Baikal-GVD.

Блоки АЦП оснащены собственными кварцевыми генераторами, позволяющими измерять время регистрации импульсов, поступающих с ФЭУ. Для привязки времен регистрации импульсов, измеренных разными блоками АЦП в пределах одного кластера, к единой временной шкале используется сигнал общий триггер. Для синхронизации работы кластеров на каждом из них измеряется время формирования общего триггера с точностью около 2 нс. Для этих измерений используется единый источник тактовой частоты, сигналы от которого передаются по оптоволоконным линиям связи на все кластеры телескопа. Привязка к Мировому времени часов источника тактовой частоты осуществляется при помощи GPS/GLONASS и прецизионного сервера точного времени GMR-5000 со встроенным рубидиевым осциллятором: точность временной привязки 15 нс. Для временной и амплитудной калибровки каналов телескопа используются светодиодные и лазерные источники света. Точность временной калибровки составляет величину около 2 нс. Координаты оптических модулей измеряются при помощи акустической системы позиционирования: 4 акустических модема установлены на каждой гирлянде кластера. Точность позиционирования составляет 5–20 см в зависимости от расстояния от ОМ до акустических модемов вдоль гирлянды и величины отклонения гирлянды от вертикального положения из-за течений оз. Байкал.

ПЕРВЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Модульная структура регистрирующей системы Baikal-GVD позволяет проводить физические исследования уже на стадии развертывания установки. Нейтринный телескоп был включен в режиме постоянной экспозиции с апреля 2015 г., с момента введения в эксплуатацию первого кластера. Приоритетными задачами были исследования мюонных нейтрино и каскадов высокой энергии для поиска астрофизических источников нейтрино, и поиск нейтринных событий, коррелирующих по времени и направлению с источниками переменной светимости. Выделение мюонных нейтрино осуществлялось на основании регистрации мюонов, приходящих из нижней полусферы Земли. Каждый кластер Baikal-GVD регистрирует ~1 событие такого типа в день, что удовлетворительно согласуется с результатами моделирования. В результате поиска нейтрино, регистрируемых по генерируемым ими каскадам высокой энергии [4], было выделено два события, кандидата на нейтрино астрофизической природы. Первое событие с энергией 107 ТэВ было зарегистрировано в 2015 г. (расстояние до оси кластера 68 м). Второе событие (2016 г.) было зарегистрировано внутри геометрического объема установки и имело энергию 155 ТэВ. Координаты этих событий в экваториальной системе: прямое восхождение 139.5° и 173.4°, склонение 5.6° и 13.9° в экваториальных координатах, соответственно для первого и второго кандидатов.

Наиболее интересным для исследований за последнее время источником переменной светимости стала галактика NGC 4993, в которой произошло слияние двух нейтронных звезд; вызванная этим событием гравитационная волна была зарегистрирована детекторами LIGO и Virgo 17 августа 2017 г. (GW170817). Поиск нейтринных событий в направлении от этого источника на телескопе Baikal-GVD осуществлялся в каскадной моде во временных интервалах ±500 с и 14 дней после регистрации гравитационной волны (зенитный угол NGC 4993 на момент регистрации составлял 93.3°). События в направлении от NGC 4993 в указанных временных интервалах не были зарегистрированы. При отсутствии измеренного сигнала были установлены верхние пределы на потоки нейтрино, сопоставимые по величине с пределами, полученными на установках ANTARES, Ice Cube и Pierre Auger [5].

Настоящая работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 16-29-13032, 17-02-01237).

Список литературы

  1. Avrorin A.D., Avrorin A.V., Aynutdinov V.M. et al. // Proc. 35th ICRC. (Busan, 2017). P. 1034.

  2. Аврорин А.В., Аврорин А.Д., Айнутдинов В.М. и др. // Письма в ЭЧАЯ. 2016. Т. 13. № 6. С. 1143.

  3. Аврорин А.В., Аврорин А.Д., Айнутдинов В.М. и др. // ПТЭ. 2014. № 3. С. 28; Avrorin A.V., Avrorin A.D., Ainutdinov V.M. et al. // Instr. Exp. Tech. 2014. V. 57. № 3. P. 262.

  4. Avrorin A.D., Avrorin A.V., Aynutdinov V.M. et al. // Proc. 35th ICRC. (Busan, 2017). P. 962.

  5. Avrorin A.D. et al. (Baikal-GVD Collaboration) // arXiv: 1808.10353. 2018.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал