Характер черенковского излучения таков, что, фиксируя с высоким временны,м разрешением его кванты и зная пространственную геометрию экспериментальной установки (зная координаты размещения фотоэлектронных умножителей), мы при помощи вычислений можем достаточно точно определить местоположение источника первичного излучения в сферической системе координат, связанной с экспериментальной установкой. Таким образом, соединение системы датчиков и вычислителя рождает качественно иное устройство - телескоп.
Эффект Вавилова-Черенкова позволяет конструировать телескопы, способные успешно работать не только в области гамма-астрономии сверхвысоких энергий [Космические частицы высоких энергий способны формировать в атмосфере так называемые широкие атмосферные ливни вторичных быстрых заряженных частиц, исследование которых также осуществляется при помощи датчиков черенковского излучения]. Целый ряд интереснейших физических процессов во Вселенной (в частности, в недрах Солнца, куда принципиально не способен "заглянуть" ни один из оптических, радио- или гамма- инструментов) происходит с выделением нейтрино - до сих пор во многом загадочной частицы, главным из свойств которой является, пожалуй, чрезвычайно слабое взаимодействие с веществом. Тем не менее редкие взаимодействия нейтрино с атомами вещества рождают вторичные заряженные частицы высоких энергий, которые при движении в подходящей среде способны излучать "черенковские" фотоны.
Ничтожная плотность событий взаимодействия нейтрино с веществом определяет необходимость строительства (иного слова не подберу!) огромных по размеру и массе детекторов - их масса достигает сотен тысяч тонн. А само использование черенковского излучения (оптического) приводит к тому, что детекторы должны быть прозрачными и с возможно более высоким показателем преломления. На практике же самым подходящим веществом для создания детектором нейтринных телескопов оказалось… вода.
Что же собой представляет нейтринный телескоп?
Сильно упрощая, это устройство можно описать так: бак со специально подготовленной водой, снабженный системой многочисленных датчиков черенковских фотонов (фотоэлектронные умножители, способные реагировать на единичные кванты света), плюс электроника, позволяющая с возможно большим временны,м разрешением фиксировать кванты черенковского излучения. Ну и, конечно, вычислитель. Разумеется, конструкция нейтринного телескопа гораздо сложнее, а его размеры и инженерная сложность - поражают. Ведь для того, чтобы исключить попадание в объем детектора случайных заряженных частиц (например, из космоса), его необходимо окружить мощнейшей защитой. С этой целью установку помещают глубоко под землю или под воду.
Например, нейтринный телескоп Kamiokande-II японцы упрятали в шахту глубиной 1 км. Сердцем телескопа является цилиндрическая стальная емкость диаметром 15,5 м и высотой 16 м. В емкость залито три тысячи тонн тщательно очищенной воды [В столь чистой воде длина пробега фотона достигает 55 м.]. В качестве приемников черенковских фотонов использовались 1300 фотоэлектронных умножителей. В той же шахте расположился усовершенствованный телескоп Super-Kamiokande, снабженный водяным детектором массой пятьдесят тысяч тонн. Компьютер обрабатывает сигналы от 13600 фотоэлектронных умножителей. Эта установка обеспечивает пространственное разрешение, достаточное для исследования нейтринных потоков не только от Солнца, но и от взрывов сверхновых звезд и других нейтринных источников в далеком космосе.
Поистине уникальным является Баксанский подземный галлий-германиевый нейтринный телескоп (ГГНТ) с детектором из шестидесяти тонн металлического галлия. Этот телескоп, служащий для исследования солнечных нейтрино, расположен на расстоянии 3,5 км от входа в горный тоннель (3670 м в глубь горы).
Впечатляюще выглядит Байкальский нейтринный телескоп НТ200 , в котором в качестве детектора используется вода озера Байкал. Столь оригинальную конструкцию удалось реализовать благодаря природным условиям озера: глубины более километра и высокая прозрачность воды (пробег света достигает 20 м). Сам телескоп состоит из наращиваемого числа фотоприемников (типа "Квазар"; собраны в высокопрочных стеклянных сферах, способных выдерживать давление в 150 атмосфер на рабочих глубинах), которые на тросах опущены в воду на глубину 1,2 км в южной оконечности озера. Береговой центр обработки данных по черенковским вспышкам регистрирует каждую частицу, вычисляет ее траекторию и отбрасывает все измерения, оставляя лишь частицы, двигавшиеся снизу - то есть сквозь земной шар, не представляющий для нейтрино существенной преграды.
Очень красив по замыслу проект нейтринного телескопа АМANDA в Антарктиде, на американской станции Амундсен-Скотт. Южный полюс Земли покрывает мощнейший слой льда, толщина которого достигает 3 км, что дает возможность создавать в его толще нейтринные телескопы, использующие лед в качестве детектора. Скважины во льду для размещения гирлянд фотоприемников (конструкция, в принципе, аналогичная "Байкальской") глубиной до 2 км "вытаивают" при помощи горячей воды. После опускания в скважину датчиков и замерзания канала устройство готово к работе. В настоящее время AMANDA состоит из 677 фотоприемников, размещенных на девятнадцати гирляндах-стрингах, и является крупнейшим нейтринным телескопом. Начаты работы по расширению установки до объема 1 куб. км. Новая установка IceCube будет состоять из 4800 оптических модулей на 80 стрингах.
Юрий Романов
