ИЯИ РАН - Байкальский глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD.
Статус 2019 и перспективы.

Запуск в эксплуатацию в 2015 году первого кластера Байкальского глубоководного нейтринного телескопа Baikal-GVD [1] открыл новый этап в создании нейтринного телескопа в озере Байкал с объемом порядка 1 кубического километра. Был закончен исследовательский этап разработки всех элементов телескопа и его монтажной единицы - кластера из 8 гирлянд, и открыт путь к планомерному расширению телескопа установкой от одного до двух кластеров в год. В 2019 году уже запущены в эксплуатацию 5 кластеров [2]. На рисунке 1 показан рост эффективного объема телескопа для регистрации ливней (каскадов) заряженных частиц, возникающих в результате взаимодействия нейтрино и вторичных мюонов с водной средой в области энергий 100 ТеV - 10 PeV, черенковское свечение которых регистрируется телескопом. Зеленой и красной линиями обозначены эффективные объемы телескопов ANTARES и IceCube соответственно. Синей линией обозначен достигнутый уровень эффективного объема Baikal-GVD и прерывистой - планируемый уровень в последующие годы. Данные по создаваемому Европейским союзом нейтринному телескопу KM3NeT в Средиземном море не приводятся в связи с возникшими техническим сложностями в развертывании систем телескопа и отсутствия подтвержденных экспериментальных данных.

Рисунок 1. Рост эффективного объема телескопа Baikal-GVD в результате установки новых кластеров

Увеличение потока экспериментальных данных и рост числа участников коллаборации породили потребность в стандартизации форматов представления данных и программного обеспечения для их обработки. Поэтому одновременно с расширением телескопа велась разработка платформы для анализа данных Байкальского нейтринного телескопа BARS (Baikal Analysis and Reconstruction Software). BARS содержит определения представлений данных, получаемых от триггерной системы телескопа, системы акустического позиционирования и мониторинга, определения форматов описания мюонных траекторий и результатов их восстановления и т. д., а также инструменты для их чтения и записи. Для этих стандартов BARS предоставляет библиотеку, содержащую методы низкоуровнего так и высокоуровнего анализа. В частности, методы выделения импульсов на оцифрованных дорожках ФЭУ, временной и зарядовой калибровки, подавления шумов, восстановления мюонных траекторий, визуализации и пр. Наконец, в BARS входит пакет прикладных программ, предназначенных для выполнения часто встречающихся задач, например, подавления шумов в откалиброванных данных или определения шумового темпа счёта каналов установки в заданный период времени.

BARS основан на пакете MARS коллаборации MAGIC, а также платформе CERN ROOT, разработанной для нужд Большого Адронного Коллайдера. В настоящий момент, помимо анализа, BARS используется для потоковой предобработки данных телескопа на мощностях ОИЯИ (Дубна). Ведётся работа по дальнейшей автоматизации более высокоуровнего анализа.

Телескоп Baikal-GVD из 5 кластеров к настоящему времени второй по объему нейтринный телескоп после IceCube, но обладает существенно лучшим угловым разрешением, чем IceCube (3-4° по сравнению с 13-14° для регистрации каскадов), поэтому получаемые уже сейчас данные по регистрации каскадов и траекторий мюонов, вызванных нейтрино высоких энергий, и поиска их источников, безусловно, входят в разряд достижений мирового уровня.

На рисунке 2 представлена одна из вероятных схем взаимодействия нейтрино со средой и зоны засветки черенковским светом оптических модулей кластера телескопа Baikal-GVD. Семь гирлянд расположены в вершинах правильного семиугольника и восьмая в его центре. На каждой гирлянде по 36 оптических модулей. Гирлянды расположены на расстоянии 60 м друг от друга, оптические модули на расстоянии 15 м друг от друга по вертикали на глубине от 785 м до 1250 м. Все пять кластеров полностью идентичны. Их центры расположены на расстоянии 300 м друг от друга (рисунок 3).

Рисунок 2. Одна из вероятных схем взаимодействия нейтрино со средой и засветки оптических модулей
одного из кластеров телескопа Baikal-GVD черенковским светом.

Рисунок 3. Пять кластеров телескопа Baikal-GVD

Образование каскада может происходить как внутри, так и вне физического объема кластера, поэтому эффективный объем кластера и всего телескопа в целом существенно превышает его физический объем, что определяется свойствами байкальской воды: большими длинами поглощения и рассеяния света (20-25 м). Эти же характеристики определяют повышенное угловое разрешения байкальского телескопа.

В таблице 1 приведены предварительные результаты обработки данных за 2016, 2018 и 2019 годы. Абсолютное большинство событий связано с нейтрино атмосферного происхождения, но 6 из них с энергией больше 100 TeV, вероятнее всего, имеют астрофизическое происхождение , т.е. пришли на Землю из далекого космоса.

Таблица 1. Количество каскадных событий, зарегистрированных кластерами телескопа Baikal-GVD
по результатам обработки данных в 2016,2018 и 2019 г.

В таблице 2 представлены результаты обработки и выделения событий по величине энергии и только тех событий, в результате которых происходила засветка более 10 оптических модулей (ОМ), более 14 и более 19. Естественно, чем больше засвеченных ОМ, тем с большей точностью определяются энергия и направление траектории события.

Таблица 2. Результаты обработки и селекции событий

На рисунке 4 представлена картина распределения выявленных и восстановленных точек образования каскадов в пространстве внутри и вне пяти кластеров телескопа с Е > 60 TeV при засветке более 7 ОМ.

Рисунок 4. Картина пространственного распределения выявленных событий

На рисунке 5 показаны точки - вершины выявленных каскадных событий с энергией больше 100 TeV и количеством засвеченных модулей более 19. Отсутствие событий в 4 и 5 кластерах объясняется недостаточным количеством обработанных данных.

Рисунок 5. Места расположения вершин 6 выявленных каскадных событий с Е > 100TeV

На рисунке 6 показана картина засветки оптических модулей кластера телескопа черенковским светом от каскада заряженных частиц. Каскад имеет энергию Е=157 TeV с координатами θ=57°, φ=249°, х= -25 м, y= -37 м, z=11 м, ρ=44 м. Слева - все засвеченные ОМ (сработавшие каналы) в период времени, начало которого инициируется триггером - сигналом начала записи, если одновременно сработает не менее 6 каналов (ОМ). Справа - количество каналов после обработки данных (удаления фоновых и шумовых срабатываний каналов).

Рисунок 6.

С использованием накопленных данных продолжается работа по исследованию природы феномена темной материи. Получены результаты поиска в этом направлении и публиковано несколько статей, вызывающих несомненный интерес и цитирование выводов научной общественностью [3-5].

С декабря 2018 г. коллаборация "Байкал" начала участвовать в новом международном научном направлении исследований в астрономии и астрофизике: "multi-messenger". Это направление использует быстрый обмен информацией в случае наблюдения редких событий на любой из установок, регистрирующих нейтрино, космические лучи, гравитационный волны, фотоны. В соответствии с принятым соглашением между коллаборациями "Байкал" и ANTARES информация "alert" события, формируемая при регистрации нейтрино высокой энергии в глубоководном телескопе ANTARES, менее чем через 12 секунд поступает в коллаборацию "Байкал". Получено уже 24 "алерта" за сезон 2018-2019 год. По крайней мере, один из каскадов с энергией около 10 TeV, зарегистрированных на 3 кластере, очень близок по времени (37,8 мин) и углу наблюдения (3,7°) к "алерт" событию. Сейчас наша реакция на "алерт" 24 часа. Ведутся разработки, кардинально уменьшающие это время.

С 2015 года существенно повышена эффективность телескопа, благодаря использованию новейших микрочипов (Spartan 6), многоканальных быстродействующих АЦП, оптоволоконных линий связи кластеров телескопа с Береговым центром. Это на порядки уменьшило мертвое время при сборе, обработке "on line" и передаче данных. В результате количество регистрируемых телескопом событий соответствует модельным расчетам и не хуже, чем в телескопах IceCube и ANTARES в пересчете на действующие объемы - для астрофизических нейтрино высоких энергий - порядка 3-4 событий в год на эффективный объем 0,4 км³.

Для обеспечения планируемого расширения телескопа были отработаны технологии и налажено серийное производство до 1000 оптических модулей в год на производственном участке в ОИЯИ (Дубна) (рисунок 7).

Рисунок 7. Линии монтажа оптических модулей в ОИЯИ (г. Дубна)

Производство до 100 электронных управляющих модулей налажено на производственном участке ЛНАВЭ (ИЯИ РАН). Введены в действие системы испытательных стендов в ОИЯИ (Дубна) и в ИЯИ РАН. Налажено производство до 300 соединительных глубоководных кабелей в НИИПФ ИГУ, оборудования для ведения ледовых работ, прокладки донных кабелей и крепежных рам для глубоководных модулей в НН ГТУ (Нижний Новгород). Были налажены связи и графики поставок уникальных комплектующих из-за рубежа и от отечественных производителей: стеклянных сфер высокого давления из Германии, фотоумножителей Hamamatsu из Японии, источников питания из Тайваня, оптического геля из Германии, электронных печатных плат и блоков из НИИЯФ МГУ, магнитных экранов из Рязани, гидроакустических модемов из Германии, полупроводниковых импульсных лазеров из Москвы, глубоководных электрических разъемов из США, корпуса наконечников (муфты) донных магистральных опто-электрических кабелей из г. Дубна. Преодолены и преодолеваются трудности с поставками кабельной продукции российских производителей.

В процессе увеличения количества кластеров продолжаются исследования в направлении повышения эффективности телескопа в целом и его элементов, не трогая их базовых составляющих. Из них наиболее острая проблема - повышение надежности глубоководных, труднодоступных для ремонта устройств и связей. Ежегодно из строя выходит до 1% глубоководных устройств. Это недопустимо много при планируемом увеличении объема телескопа. Для повышения надежности планируется существенно обновить базу для лабораторных испытаний, особенно в направлении увеличения режимов испытаний и их долговременности. Для этого подготавливаются помещения в ИЯИ РАН и закупаются 2 климатические камеры тепло-холод-влага с программным автоматизированным управлением, что позволит испытывать глубоководную аппаратуру в режимах транспортировки, монтажа с поверхности льда в зимних условиях озера Байкал и в условиях глубоководной эксплуатации как отдельных элементов, так и систем в сборе. Для долговременных испытаний систем в сборе будет обновлен ранее разработанный стенд (рисунок 8), который позволит испытывать комплекс электронных блоков кластера в целом, с имитацией сигналов, моделирующих реальную обстановку при регистрации событий: форму импульсов, фон внешней среды и собственные шумы электронной аппаратуры. Управление стендом полностью автоматизировано. Анализ большого массива данных будет осуществляться с помощью закупаемого комплекса аппаратуры: цифровых многофункциональных осциллографов и сервера.

Рисунок 8. Стенд для долговременных испытания электронных блоков кластера Baikal-GVD (ИЯИ РАН)

Несомненно, к инновационным достижениям в рамках исследований и разработок специальной аппаратуры для телескопа необходимо отнести систему гидроакустического позиционирования оптических модулей (геометрии телескопа), систему калибровки на основе светодиодов и полупроводниковых лазеров и систему синхронизации телескопа.
Система гидроакустического позиционирования разрабатывалась совместно с компанией EvoLogics (Германия). Система состоит из 4 неподвижных гидроакустических модемов, прикрепляемых к якорям гирлянд в каждом кластере и пяти модемов на каждой гирлянде оптических модулей (рисунок 9). Точность определения координат подвижных модемов на гирляндах - 3-4-мм, точность определения координат самих оптических модулей с помощью линейно-кусочной интерполяции меняющейся формы гирлянды - 10-20 см - в пределах допустимых значений. Но точность координат самых верхних оптических модулей при больших смещениях, вызванных еще не изученными природными явлениями, может превышать 20 см. Чтобы устранить эту ошибку, в настоящее время исследуется магнитометрический способ, использующий инклинометры. Инклинометры в виде микрочипов устанавливаются на электронных платах оптических модулей и измеряют отклонения от вертикали с точностью до 1^о. Комбинация гидроакустических и магнитометрических измерений позволяет достичь точности позиционирования оптических модулей не хуже 10 см при самых больших отклонениях гирлянд от вертикали [3]. Данные основаны на результатах экспериментальных исследований на действующем телескопе [4].

Система калибровки телескопа состоит из трех уровней: калибровка оптических модулей на гирлянде с помощью встроенных светодиодов в каждом оптическом модуле (15-30 м), калибровка ОМ между гирляндами с помощью светодиодных матриц, размещаемых в специальном модуле - стеклянной сфере, (60-100 м), и межкластерная калибровка с помощью лазера (до 200-250м).

Для межкластерной калибровки был разработан уникальный источник света на основе полупроводникового лазера и в 2017 году был установлен в состав телескопа (рисунок 10).
Источник состоит из собственно лазерного источника света, глубоководного корпуса с герметичными разъемами, рассеивателя света и средств крепления корпуса к кабель-тросу. Источник имеет внутренний контроль параметров излучаемых импульсов и программное дистанционное управление амплитудой, временем и частотой излучаемых импульсов длительностью 1 наносекунда, обеспечивает калибровку оптических модулей на расстоянии до 200-300 м на длине волны 532 нм. Планируется устанавливать один лазерный источник на 2 кластера.

Синхронизация работы всех оптических модулей и систем телескопа (порядка 10000 объектов) с требующейся точностью до 1 наносекунды является одной из самых сложных задач, которая еще не до конца решена к настоящему времени для создаваемого телескопа в целом. Для действующих 5 кластеров в комплексе с триггерной системой каждого кластера работает система межкластерной синхронизации на основе оптоволоконной глубоководной сети SSBT разработки НИИЯФ МГУ и протокола White Rabbit разработки CERN. Также для синхронизации с мировым временем применяется специализированный GPS-приемник сигналов точного времени. От этих систем в настоящее время идет накопление данных, осуществляется анализ их достоверности и оценка возможности использования в обработке физических событий.

Опережающими темпами для обеспечения расширяющегося объема работ по подготовке и проведению монтажа глубоководных систем телескопа развивалась инфраструктура телескопа на берегах озера Байкал. Начиная с 2015 года при поддержке ОИЯИ (Дубна) на 106 км КБЖД был введен в эксплуатацию новый береговой центр, в который сходятся все донные кабели от кластеров телескопа (рисунок 11). Береговой центр (БЦ) рассчитан и оборудован всей необходимой техникой для бесперебойного электропитания кластеров телескопа, сбора, первичной обработки и передачи данных по Радио-Интернет. БЦ оборудован всем необходимым для работы и комфортабельного отдыха дежурных операторов.

Рисунок 11. Береговой центр

На арендуемой у ВСЖД территории на 106 и 107 км КБЖД площадью 4,6 га размещены лабораторные и бытовые помещения повышенной комфортности, предназначенные для одновременного размещения и питания до 40 приезжающих специалистов (рисунок 12). Практически полностью обновлены техника и оборудование, обеспечивающая глубоководные работы в ледовом лагере и прокладку донных кабелей. Усовершенствована технология монтажа глубоководных систем телескопа, что позволило монтировать и запускать в эксплуатацию по 2 кластера в течение зимних экспедиций с 15 февраля до 15 апреля.

Рисунок 12. Вагон-дома с каютами для индивидуального проживания
и автотранспорт для перевозки персонала по льду озера Байкал

Ключевым объектом для обеспечения работ по расширению и эксплуатации телескопа является подразделение ИЯИ РАН "Байкальский технический стационар" (БТС), который на постоянной основе размещается в 6 зданиях разного назначения с общей площадью 3447,8 кв.м и на территории 2,2 га в г. Байкальск, Промплощадка №4. БТС выполняет комплекс работ по инженерно-технической поддержке создания и эксплуатации Байкальского глубоководного нейтринного телескопа: развитие и обслуживание инженерных сетей на 106-107 км КБЖД, производство специализированных узлов несущих конструкций телескопа, транспортировка персонала, перевозки и складирование научного оборудования, поставляемого из Москвы и других городов и доставка его на место проведения монтажа новых систем телескопа во время зимних экспедиций, ремонт техники и оборудования. Ежегодно через Байкальск переправляется несколько сотен грузов всеми видами транспорта кроме авиации. Автопарк БТС включает 14 автомобилей разного назначения, 4 трактора, быстроходный катер, подъемный автокран на 25 тонн.

Рисунок 13. Здание литера А. В здании размещаются мастерские, складские помещения для ценного научного оборудования, конференцзал, лабораторные помещения, кабинеты и 3 бытовых помещения

Рисунок 14. Здание гаража на 5 автомобилей с мастерской по ремонту автотранспортной техники

В результате комплекса мероприятий с 2015 по 2019 год получены научные результаты, которые являются хорошим вкладом в развитие нейтринной астрофизики и астрономии, а также создана инфраструктура и материально-техническая база для расширения и эксплуатации нейтринного телескопа в озере Байкал с эффективным объемом порядка кубического километра и более в случае научной необходимости.

Литература

[1] Пресс-релиз. Первый кластер глубоководного нейтринного телескопа кубокилометрового масштаба Baikal-GVD вступил в строй на оз. Байкал. Москва, ИЯИ РАН, 19 мая 2015 г.

[2] Пресс-релиз 2019. Байкальский глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD увеличен c трех до пяти кластеров оптических модулей, и его эффективный объем составил 0.25 км3. ИЯИ РАН, Москва, 19 апреля 2019 года

[3] A search for neutrino signal from dark matter annihilation in the center of the Milky Way with Baikal NT200, BAIKAL Collaboration (A.D. Avrorin (Moscow, INR) et al.). Dec 3, 2015. 9 pp. Published in Astropart.Phys. 81 (2016) 12-20 DOI: 10.1016/j.astropartphys.2016.04.004 e-Print: arXiv:1512.01198 [astro-ph.HE]

[4] Sensitivity of the Baikal-GVD neutrino telescope to neutrino emission toward the center of the galactic dark matter halo., A.D. Avrorin (Moscow, INR) et al.. Dec 11, 2014. 6 pp. Published in JETP Lett. 101 (2015) no.5, 289-294 DOI: 10.1134/S0021364015050021 e-Print: arXiv:1412.3672 [astro-ph.HE]

[5] Search for neutrino emission from relic dark matter in the Sun with the Baikal NT200 detector Baikal Collaboration (A.D. Avrorin (Moscow, INR) et al.). May 14, 2014. 9 pp. Published in Astropart.Phys. 62 (2015) 12-20 DOI: 10.1016/j.astropartphys.2014.07.006 e-Print: arXiv:1405.3551 [astro-ph.HE]

[6] С.О. Колигаев. Отчет: "Baikal-GVD. Калибровка." НТО 2019.09.11. Архив ЛНАВЭ