США проведут подводные испытания детектирования нейтрино в озёрах Верхнее и Вермилион

С октября 2026 года по примерно апрель 2027 года группа исследователей из американских университетов и правительственных организаций проведёт подводные нейтринные испытания в озёрах Верхнее и Вермилион. Проект под названием «Экспериментальный нейтринный детектор» (END) ставит целью проверку в природных водоёмах базовой системы детектирования для идентификации пучка нейтрино NuMI, генерируемого Фермилабом, и его отделения от фона космических лучей и других шумов в условиях мелководья.

END разместит подводные нейтринные детекторы на дне озера Верхнее в месте прохождения пучковой линии нейтрино Фермилаба (как показано на рисунке), вблизи Дулута, штат Миннесота. Пучковая линия продолжит движение на север к ранее созданным станциям нейтринных детекторов в озере Судан (озеро Вермилион) и в Аш-Ривер, штат Миннесота. Источник изображения: Университет Миннесоты в Дулуте

Проект END использует особенности прохождения пучка NuMI через озёрный регион северной Миннесоты, размещая подводные детекторы на дне озера Верхнее вблизи Дулута. Траектория пучка продолжается на север, проходя через озеро Вермилион в районе Судана, где ранее были созданы станции нейтринных детекторов, а также через Аш-Ривер в Миннесоте. Исследовательская группа надеется завершить техническую проверку детектирования нейтрино, генерируемых в природном водоёме, до вывода пучка NuMI из эксплуатации в 2027 году.

Нейтрино — это чрезвычайно многочисленные, но крайне трудно обнаруживаемые элементарные частицы во Вселенной. Вероятность их взаимодействия с другими частицами крайне мала, поэтому исследователям обычно требуются пучки нейтрино высокой интенсивности и крупнообъёмные высокочувствительные детекторы для регистрации их редких взаимодействий. Ранее эксперименты IceCube, озеро Байкал и KM3Net наблюдали природные нейтрино в крупных водоёмах или ледяных массивах, а эксперименты MINOS и NOvA изучали искусственные пучки нейтрино; однако наблюдение нейтрино, генерируемых в лабораторных условиях, в крупных природных водоёмах ещё предстоит подтвердить.

Согласно плану, детектор на озере Верхнее будет использовать подводные фотоэлектрические сенсоры, разработанные коллаборацией KM3Net. В отличие от способа размещения сенсоров вдоль вертикальных длинных гирлянд в экспериментах в глубоком Средиземном море, озеро Верхнее имеет меньшую глубину, поэтому сенсоры будут установлены на металлических рамах, размещаемых на дне озера. Ожидается, что с сентября исследовательская группа построит 5 металлических рам высотой около 10 метров на пирсе №11 Клэр-Пир в Дулуте, каждая рама будет оснащена 18 сферическими цифровыми оптическими модулями (DOM), диаметр каждого DOM составит около 43 см.

В ноябре исследовательское судно «Нил Армстронг» Вудс-Хоулского океанографического института планирует прибыть на место, поднять рамы и сенсоры на палубу и доставить их в район озера вблизи Дулута, выровненный с пучком нейтрино Фермилаба. Детекторные рамы будут опущены на дно озера и соединены подводными оптоволоконными кабелями с временным береговым оборудованием, размещённым вблизи водоочистной станции Дулута.

На озере Вермилион будет развёрнут другой тип нейтринного детектора. Исследователи планируют разместить на дне озера вблизи города Тауэр, штат Миннесота, 10 крупных водяных баков, каждый высотой около 2,5 метра и длиной около 6,4 метра, с двумя плоскими нейтринными детекторами внутри. Осенью 2026 года на дно озера сначала будут опущены балластные грузы, затем баржа отбуксирует баки на заданные позиции и закрепит их, обеспечивая выравнивание детекторов с пучком NuMI. Развёртывание ожидается в середине-конце октября и займёт около месяца, после чего начнётся сбор данных в течение нескольких месяцев; после того как условия на озере позволят, оборудование будет демонтировано в период с конца весны до начала лета 2027 года.

Что касается принципа детектирования, когда нейтрино из пучка NuMI изредка взаимодействуют с атомами воды, образуются видимые частицы. Эти частицы, двигаясь в чистой озёрной воде, генерируют слабое голубое свечение, которое будут улавливать фотоэлектрические сенсоры на озере Верхнее и передавать на берег по подводному оптоволокну. Исследовательская группа ожидает, что в период работы пучка NuMI END сможет регистрировать несколько событий нейтрино, генерируемых этим пучком, в день. Эксперимент на озере Вермилион, в свою очередь, использует панели из пластикового сцинтиллятора для регистрации вспышек света при прохождении частиц и отличает фоновые события по информации о траекториях частиц; поскольку детекторы размещены в светонепроницаемых контейнерах, они могут работать круглосуточно.

Проект финансируется Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов США (DARPA) и реализуется в сотрудничестве с Управлением науки Министерства энергетики США, Фермилабом и Брукхейвенской национальной лабораторией. В состав участников входят исследователи из Университета Миннесоты в Дулуте, Висконсинского университета, Университета Дрекселя и Вудс-Хоулского океанографического института. По заявлению представителей проекта, подготовительный и испытательный этапы END не окажут влияния на повседневную жизнь местных жителей, не создадут шумового загрязнения и не помешают работе местных предприятий или рекреационному использованию озёр.