Eines der wichtigsten Ereignisse des Jahres der Wissenschaft sollte der Start eines riesigen Neutrino-Teleskops am Baikalsee sein. Es fand am 12. März statt. Dmitry Naumov, stellvertretender Direktor des Labors für Nuklearprobleme des Gemeinsamen Instituts für Nuklearforschung, Doktor der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften, sprach mit RG über die Bedeutung dieser Einrichtung für die russische und die Weltwissenschaft.
- Dmitry Vadimovich, damit der Steuerzahler versteht und sich bereit erklärt, fast 10 Milliarden Dollar für die Schaffung des berühmten Large Hadron Collider auszugeben, packten Wissenschaftler das Higgs-Boson in eine wunderschöne Hülle - das Bild eines "göttlichen Teilchens". Sie schloss das berühmte Standardmodell, das als die herausragendste Errungenschaft der theoretischen Physik des 20. Jahrhunderts gilt, und erklärte, woher die Masse kommt. Und wie wir uns davon überzeugen können, dass wir Millionen auf die Jagd nach einem unverständlichen Neutrino gehen lassen müssen. Dieses Teilchen hat sogar fast keine Masse. Kurz gesagt, warum werden Neutrinos in den Tiefen des Baikalsees gefangen?
Dmitry Naumov: Ich würde diese Analogie geben. Archäologen führen Ausgrabungen durch, um die Entwicklung der Menschheit zu verstehen und unsere ferne Geschichte zu verstehen. Das Neutrino wird also einen Einblick in die Geschichte des Universums gewähren. Finden Sie heraus, was vor Millionen und sogar Milliarden von Jahren darin passiert ist. Wie Galaxien geboren und entwickelt wurden. Es sind Neutrinos, die ein Werkzeug zur Rekonstruktion dieser langjährigen Ereignisse werden können.
- Sind riesige Bodenteleskope und Observatorien im Weltraum nicht möglich?
Dmitry Naumov: Erstens können solche Teleskope nicht alles sehen. Tatsache ist, dass Licht möglicherweise nicht aus den dichten und heißen Regionen des Universums austritt oder sich das Signal bis zur Unkenntlichkeit ändert. Zweitens müssen optische Teleskope die genaue Adresse angeben, damit sie einen Ort zum Schauen haben. Immerhin ist der Himmel riesig, Teleskope können es sich nicht leisten, auf der Suche nach interessanten Objekten durch den endlosen Himmel zu stöbern. Sie benötigen möglichst genaue Adressen, um sich dort so weit wie möglich zu konzentrieren und von Tag zu Tag, von Monat zu Monat Beobachtungen durchzuführen. Dies ist ein langer und sorgfältiger Prozess. Neutrinos sind also die Spotter für Raumadressen. Tatsächlich wird vor unseren Augen eine neue Wissenschaft geboren - die Neutrinoastronomie. Bis vor kurzem schien es wie Fantasie, aber jetzt ist es bereits Realität.
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Dmitry Naumov: Das Spiel basiert auf dem Hauptmerkmal des Neutrinos - es interagiert sehr schwach mit Materie, die für dieses Teilchen fast transparent ist. Wie kann man sie fangen, wenn sie keinen Kontakt hat? Nehmen wir an, von der Sonne aus erreichen diese Teilchen die Erde, und Billionen Neutrinos pro Sekunde passieren jeden Quadratzentimeter. Aber wir bemerken sie überhaupt nicht. Wir sind wie ein leerer Raum für sie. Um beispielsweise die Hälfte der von der Sonne emittierten Neutrinos zu fangen, müsste die gesamte Region des Weltraums mit Blei von uns zum nächsten Stern Alpha Centauri gefüllt werden.
- Mit Neutrino können Sie einen Blick in die Geschichte des Universums werfen und herausfinden, was vor Millionen und sogar Milliarden von Jahren darin passiert ist und wie Galaxien geboren und entwickelt wurden
Dmitry Naumov: Diese Schwäche der Interaktion verwirrte die Physiker - wie man es sieht, wie man damit arbeitet? Der deutsche Physiker, Nobelpreisträger Wolfgang Pauli, der das Neutrino rein theoretisch erfand, glaubte allgemein, dass wir dieses Teilchen niemals sehen könnten. Aber unterschätzen Sie nicht den Einfallsreichtum der Experimentatoren! Sie lernten, dieses erstaunliche Teilchen zu fangen und die Geschichte des Universums zu rekonstruieren. Darüber hinaus erwies sich die Schwäche der Neutrino-Wechselwirkung als sehr nützlich!
- Wie haben Sie es geschafft, diesen Nachteil in Würde umzuwandeln?
Dmitry Naumov: Hier müssen wir Milliarden von Jahren zurückgehen, als die ersten Galaxien gerade in unserem Universum auftauchten. Dann kämpfte jeder Stern verzweifelt um seine Existenz. Die Glücklicheren verschlang ihre kleinen Nachbarn und wurden größer. Dies geschah, bis sich der unersättliche Stern in ein schwarzes Loch verwandelte, das fast nicht mehr leuchtet. Aber schon unsichtbar verschlingt es weiterhin seine Nachbarn und erhöht seine Masse auf Millionen und sogar Milliarden von Sonnenmassen. Darüber hinaus erwärmt sich das auf das Loch fallende Material und leuchtet sehr stark. Dieses Weltwunder wird "aktiver galaktischer Kern" genannt.
Was ist wichtig zu betonen? Weder elektromagnetische Wellen noch Protonen, noch Elektronen oder irgendetwas anderes können aus einer solchen Hölle herauskommen, ohne die anfängliche Energie und Bewegungsrichtung zu verlieren. Nur Neutrinos. Dies ist ihr Phänomen. Deshalb ist die Schwäche ihrer Interaktion ein großer Vorteil. Das Wichtigste ist, dass Neutrinos unverändert zur Erde fliegen, was bedeutet, dass sie wertvolle Informationen über die Ereignisse im Universum, die vor Milliarden von Jahren stattgefunden haben, sowie ihre Adressen enthalten.
- Seit fast zehn Jahren fängt das amerikanische Teleskop IceCube in der Antarktis Neutrinos. Im Laufe der Jahre ist der Fang offen gesagt nicht reich, etwa 100 Partikel. Was kann mit ihnen rekonstruiert werden?
Dmitry Naumov: Das Südpol-Experiment hat eine bemerkenswerte Entdeckung gemacht. Wissenschaftler haben entdeckt, dass Neutrinos mit enormen Energien existieren, die die Energien von Sonnenneutrinos um Hunderte von Millionen und sogar Milliarden Mal übertreffen. Dies bedeutet, dass es irgendwo im Universum natürliche Beschleuniger gibt, die Teilchen auf solche Energien beschleunigen können, zu denen wir auf der Erde mit unseren Beschleunigern überhaupt nicht in der Lage sind. Ist das eine wichtige Entdeckung?
- Ich denke ja.
Dmitry Naumov: Also reicht ihm schon ein Neutrino, und 100 ist nur ein Geschenk der Natur. Aber wo befinden sich diese natürlichen Beschleuniger? Welche physikalischen Mechanismen steuern sie? Zwar gibt es verschiedene Hypothesen. Und wir hoffen, dass die Neutrinos, die wir gefangen haben, genau in die Richtung weisen können, in die gewöhnliche Teleskope schauen sollten.
Das Südpol-Experiment verwendet Eis als Medium, mit dem Neutrinos interagieren. Da Eis das Licht jedoch stark streut, ist es immer noch schwierig, die Adresse, an der das Neutrino geboren wurde, mit hoher Präzision anzugeben. Hier kommt das Baikal-Neutrino-Teleskop ins Spiel. Er hat die Genauigkeit, die Adresse um ein Vielfaches besser zu bestimmen als in einem Eisteleskop. Und es gibt Hoffnung, Quellen für Neutrinos zu finden!
- Wie sah unser Teleskop neben dem amerikanischen IceCube aus?
Dmitry Naumov: Es sieht anständig aus. Wir haben 2015 mit dem Bau des Teleskops begonnen, und IceCube hat 2010 mit der Arbeit begonnen. Deshalb sind wir immer noch kleiner, aber ziemlich viel. Das Baikal-Neutrino-Teleskop ist mit einem effektiven Volumen von 0,35 Kubikkilometern bereits das größte der nördlichen Hemisphäre. In diesem Jahr werden wir mit diesem Indikator den "Südstaatler" einholen und das Volumen auf 0,4 Kubikkilometer bringen. In Zukunft wird diese Zahl etwa einen Kubikkilometer betragen. Gleichzeitig ist, wie gesagt, die Genauigkeit der Richtungsbestimmung des Baikal-Teleskops um ein Vielfaches besser.
Ich möchte einen grundlegenden Punkt hervorheben. Obwohl es immer Wettbewerb gibt, funktioniert die moderne Welt so. Wissenschaftler verstehen, dass es viel effektiver ist, zusammenzuarbeiten. Daher haben unser Baikal-Teleskop und das amerikanische sowie das im Mittelmeer KM3NeT im Bau befindliche Teleskop eine gemeinsame Sache. Wir sind in einem einzigen globalen Neutrino-Netzwerk vereint.
- Das amerikanische Teleskop kostet 270 Millionen US-Dollar, und unser Teleskop ist um ein Vielfaches günstiger. Warum?
Dmitry Naumov: Wir hatten einfach Glück. Auf dem Baikalsee ist die Oberfläche des Sees zwei Monate im Jahr mit einer Meter Eisschicht bedeckt. Dadurch können wir das Teleskop kostengünstig und einfach installieren und sogar defekte Teile reparieren. Am Südpol müssen Kollegen Löcher im Eis mit einem Durchmesser von etwa einem Meter und einer Tiefe von fast drei Kilometern erhitzen, um ihre Detektoren dort einzutauchen. Das ist sehr teuer. Auch die Lieferung von Detektoren an den Baikalsee mit einer ausgebauten Eisenbahninfrastruktur ist viel einfacher und billiger als spezielle Operationen für die Lieferung von Ausrüstung an den Südpol.
- Wer war an der Entwicklung unseres Teleskops beteiligt?
Dmitry Naumov: Wissenschaftler des Moskauer Instituts für Kernforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften waren Pioniere in unserem Land und in der Welt. Sie haben diese Forschungslinie seit den 1980er Jahren entwickelt. Und jetzt spielen sie zusammen mit dem Joint Institute for Nuclear Research aus Dubna eine führende Rolle in dem Projekt. Darüber hinaus Wissenschaftler und Ingenieure der Staatlichen Universität Irkutsk, der Staatlichen Technischen Universität Nischni Nowgorod, der Staatlichen Meerestechnischen Universität St. Petersburg, des Instituts für Experimentelle und Angewandte Physik der Tschechischen Technischen Universität (Prag, Tschechische Republik), der Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik der Universität benannt nach Ya.A. Komensky (Bratislava, Slowakei), Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften (Krakau, Polen), EvoLogics GmbH (Berlin, Deutschland).
Wie ein Teleskop Neutrinos fängt
Um ein Neutrino zu fangen, benötigen Sie ein großes Volumen der transparentesten Substanz, mit der es interagiert. Darüber hinaus muss das Teleskop vor verschiedenen Hintergrundprozessen geschützt werden. Hierzu wird die Anlage bis zu einer Tiefe von 750 m bis 1,4 km eingetaucht. Eine Reihe von 36 optischen Modulen (Fotovervielfacher und Elektronik) ist am Grund des Sees verankert. Wenn Partikel die Wassersäule passieren, "stolpert" ein Teil des Neutrinos über den Kern des Wassermoleküls. Durch diese Wechselwirkung entstehen neue Partikel, die mit bläulicher Cherenkov-Strahlung leuchten. Es wird von den optischen Modulen des Teleskops registriert. Das effektive Wasservolumen der Anlage, die an der Suche nach Neutrinos beteiligt ist, betrug nun 0,35 Kubikkilometer und wird in Zukunft auf einen Kubikkilometer anwachsen. Die Gesamtzahl der optischen Module wird 2300 Stück überschreiten.
In der wissenschaftlichen Welt toben ernsthafte Leidenschaften um Neutrinos. Tatsache ist, dass Physiker seit mehr als zehn Jahren nicht verstehen konnten, warum das Gesetz der Energieerhaltung in einem der grundlegendsten physikalischen Phänomene nicht erfüllt ist. Die Frage war so akut, dass der berühmte dänische Physiker Niels Bohr 1931 eine revolutionäre Idee der Nichterhaltung von Energie entwickelte. Es gab jedoch eine andere Erklärung: Die "verlorene" Energie wird von einem unbekannten und nicht wahrnehmbaren Teilchen weggetragen. Die Hypothese seiner Existenz wurde 1930 vom deutschen Theoretiker Wolfgang Pauli aufgestellt. Aber es wird niemals entdeckt werden, da es mit nichts interagiert. Darüber machte der Wissenschaftler mit seinem Freund eine Wette auf eine Schachtel Champagner. Und am 15. Juni 1956 erhielt er von den amerikanischen Physikern Reines und Cowen ein Telegramm, dass sie ein neues Teilchen entdeckt hatten - Neutrino.
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