Поиск нейтрино по звуку

Оригинальный метод анализа акустического сигнала для регистрации нейтрино глубоководными нейтринными телескопами предложила студентка физфака МГУ.

Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, большинство этих частиц проходит всю Землю насквозь, не совершив ни одного столкновения. Для надежной регистрации редких явлений взаимодействия необходимы детекторы больших размеров, хорошо защищенные от попадания других частиц, способных помешать наблюдениям. Поэтому их размещают глубоко под землей, льдом или водой. При этом нейтринные телескопы регистрируют не само нейтрино, а определенные явления, происходящие в результате его взаимодействия с веществом. Современные глубоководные нейтринные телескопы, в том числе и создаваемый сейчас средиземноморский телескоп следующего поколения KM3Net с объёмом более 1 км³, улавливают оптическое черенковское излучение, генерируемое движущимися в воде мюонами, которые образуются в результате столкновения нейтрино с земным веществом. 

Образование различных излучений при взаимодействии нейтрино с веществом

При взаимодействии нейтрино с веществом должен рождаться и акустический сигнал. Направление исследований возможности регистрации нейтрино по распространяющемуся в воде акустическому сигналу получило название нейтринной гидроакустики. Преимущество этого подхода заключается в том, что звук распространяется в воде на значительно большее расстояние (до 1 км), чем мюоны и черенковское излучение (30-40 м). Это позволяет создавать нейтринные телескопы с объемом в сотни кубических километров, имеющие на несколько порядков большую эффективность нейтринных наблюдений. Немаловажна и возможность располагать акустические приемники значительно реже и охватывать тем же числом датчиков большие объемы.

Пока на этом пути имеются значительные сложности, связанные с недостаточной изученностью механизма формирования акустического сигнала и его формы, высоким энергетическим порогом детекторов и элементарным отсутствием доступного оборудования. Но работы, ведущиеся с участием российских ученых, позволяют надеяться на успех.
В этой связи представляет интерес оригинальный метод анализа акустического сигнала, разработанный студенткой 5-го курса кафедры общей ядерной физики физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Дарией Бецис под руководством научного сотрудника НИИЯФ МГУ Е.В. Широкова. Он вполне может быть использован для регистрации астрофизических нейтрино глубоководными нейтринными телескопами.

Источники нейтрино и методы их регистрации

Предложенный метод заключается в использовании вейвлет-анализа при сравнении создаваемого модельного сигнала с реальным сигналом, генерируемым высокоэнергичной частицей. Вычисленная разница между двумя сигналами используется для коррекции модельного, с помощью которого будет продолжено обнаружение реального сигнала. «Новизна предложения заключается в том, что с помощью вейвлетов подобные задачи пока никто не решал, хотя сам метод хорошо известен», - пояснил её руководитель Е.В. Широков.

Метод был апробирован и весьма высоко оценён итальянскими физиками из Национальной лаборатории Юга Национального Института Ядерной Физики Италии (LNS-INFN), куда Дария Бецис была командирована в ноябре 2013 года.

Для справки: вейвлетное преобразование сигналов является обобщением спектрального анализа, но в отличие от преобразований Фурье, выражающих сигнал через бесконечные во времени гармонические функции (синусы и косинусы в действительной области), здесь используются функции ограниченные по времени и по частоте - вейвлеты. Это позволяет корректно описать изменение сигнала со временем и делает удобным исследование различных параметров сигнала.

Дария Бецис входит в возглавляемую Е.В. Широковым научную группу, состоящую из сотрудников, аспирантов и студентов физического факультета МГУ и сотрудников НИИЯФ МГУ. С момента создания в 2005 году, группа принимает участие в работах, связанных с проектированием, созданием и обработкой данных нейтринных телескопов большого объёма. Первым её проектом был нейтринный телескоп NEMO. С лета 2009 года она является официальным участником международной коллаборации ANTARES. В настоящее время они проводят работы по сооружению в Средиземном море глубоководного телескопа KM3Net.

К числу самых последних работ научной группы МГУ относится начатая совместно с Национальной лабораторией Юга Национального Института Ядерной Физики Италии деятельность по возможному гидроакустическому обнаружению астрофизических нейтрино. Данный проект, в случае его успешного развития, может внести поистине революционные изменения в возможности регистрации астрофизических нейтрино, многократно повысив чувствительность глубоководных детекторов.

Дария Бецис начала участвовать в работе группы Е.В. Широкова будучи ещё студенткой 2-го курса. В этом учебном году ее успехи отмечены стипендией Правительства Российской Федерации.

Автор: Алексей Понятов

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.