Кафедра 7 НИЯУ МИФИ

Кафедра №7 Экспериментальная ядерная физика и космофизика

Национальный Исследовательский Ядерный Университет МИФИ

Наука / Научный портал / О некоторых научных направлениях

Эксперименты в Антарктиде

Программа Физика фундаментальных взаимодействий

Эксперименты в области физики нейтрино, проводимые в Антарктиде (ANITA, ARA, ARIANNA), в которых участвуют сотрудники направления «Физики фундаментальных взаимодействий» кафедры 7. Профессор Девид Бессон (США и НИЯУ МИФИ) является одним из лидеров этих экспериментов.

ANITA-IV на аэрострате.

Основной целью экспериментов ANITA, ARA, ARIANNA является регистрация нейтрино ультра высокой энергии (> 1019 эВ) с помощью эффекта Аскарьяна, существование которого было предсказано советским физиком-теоретиком Гургеном Аскарьяном ещё в 1962 году, а экспериментально доказано только в начале XXI века. В работе, опубликованной в Журнале Экспериментальной и Теоретической Физики, Г. Аскарьян описывает возможность детектирования космических частиц с высокой проникающей способностью, таких как нейтрино, посредством регистрации радиоволнового Черенковского излучения, возникающего при прохождении этих частиц через большие слои диэлектрика, например, льда.

Детектор ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna) [1] представляет собой массивную систему антенн высотой более 7 метров, предназначенную для регистрации радиоизлучения, образующегося вследствие взаимодействия нейтрино ультра высоких энергий с антарктическим льдом. Для того, чтобы проводить наблюдения за максимально большой площадью поверхности ледяного покрова, прибор устанавливается на аэростат объемом более тысячи кубических метров, наполненном гелием. Аэростат поднимается на высоту около 37 км и, благодаря циркумполярным ветрам, может находиться над антарктическим льдом длительное время.

Последним запущенным прибором явился ANITA-IV, запущенный 2 декабря 2016 г. с шельфового ледника Росса вблизи антарктической станции Мак-Мёрдо, после чего был спущен на землю 29 декабря 2016 г. примерно в ста километрах от Южного Полиса, откуда в декабре 2017 г. все оборудование было доставлено на «большую землю». Первые три полёта были проведены в 2006-2007, 2008-2009 и 2014 годах.

ANITA-IV перед запуском в декабре 2016 г.

Одной из частей эксперимента ANITA является прибор HiCal (High-Altitude Calibration) [2, 3, 4], установленный на высотном аэростате (на высоте ~38 км), следовавшим на расстоянии нескольких сотен километров за аэростатом, на котором был установлен прибор ANITA. Эксперимент проводился антарктическим летом 2016-2017 гг. Прямые сигналы, генерируемые прибором HiCal-2, регистрировались массивом антенн эксперимента ANITA наряду с сигналами HiCal-2, отражёнными от поверхности льда. Данный факт является крайне важным для нахождения энергии нейтрино, регистрируемых прибором ANITA, так как необходимо точно знать как отражающую способность льда, так и его прозрачность для радиосигналов, что и удается сделать измеряя одновременно как прямые, так и отраженные ото льда сигналы HiCal-2 и сравнивая затем их амплитуду и форму. Данные характеристики льда также необходимы для лучшего понимания так называемых «загадочных событий», недавно обнаруженных коллаборацией ANITA, которые были интерпретированы несколькими теоретиками как доказательство физики за пределами Стандартной Модели [5]. Генераторы импульсов, разработанные совместно с группой НИЯУ МИФИ, были также использованы коллаборациями ARIANNA (Antarctic Ross Ice-Shelf ANtenna Neutrino Array) и ARA (Askaryan Radio Array). Исследования, проведенные с генераторами, созданными совместно с группой НИЯУ МИФИ, подтвердили распространение сигнала через так называемые «теневые зоны», что запрещено в классической теории электродинамики для чистого льда с плавным градиентом плотности. Результаты данных испытаний легли в основу недавней статьи, подготовленной совместно группой ARA и ARIANNA [6].

Сотрудник кафедры 7 А. Новиков и прибор HiCal-2 перед его запуском в декабре 2016 г.

Схема эксперимента ARA [7].

Схема эксперимента ARIANNA [8].

Эксперименты ARA (Askaryan Radio Array) [7] и ARIANNA (Antarctic Ross Ice-Shelf ANtenna Neutrino Array) [8] используют те же принципы, что и ANITA, – регистрация радиоизлучения, образовавшегося вследствие взаимодействия нейтрино ультравысоких энергий со льдом, однако основные элементы детектора (антенны) расположены во льду (ARA – на глубине ~ 200 м, ARIANNA – на глубине ~ 1 м), что позволяет набирать статистику в течение практически неограниченного времени.

Излучатель на горе Дискавери вблизи шельфового ледника Росса.

В октябре 2017 г. на вершине горы Дискавери вблизи места расположения эксперимента ARIANNA был установлен излучатель, созданный при участии сотрудников направления «Физика фундаментальных взаимодействий» кафедры 7. Этот прибор основан на тех же принципах, что и HiCal: основным элементом являются две конические антенны, между которыми происходит высоковольтный разряд, генерирующий короткий радио импульс высокой амплитуды и в широком частотном диапазоне (100 МГц – 1 ГГц).



1. https://www.phys.hawaii.edu/~anita/
2. https://arxiv.org/pdf/1710.11175.pdf
3. https://arxiv.org/pdf/1801.08909.pdf
4. S. Prohira, A. Novikov et al., Antarctic Surface Reflectivity Calculations and Measurements from the ANITA-4 and HiCal-2 Experiments, Phys. Rev. D 98, 042004 (2018)
5. P. Gorham et al., Observation of an Unusual Upward-going Cosmic-ray-like Event in the Third Flight of ANITA, Phys. Rev. Lett. 121, 161102 (2018)
6. S.W. Barwick et al., Observation of classically `forbidden' electromagnetic wave propagation and implications for neutrino detection, JCAP07(2018) 055
7. http://ara.wipac.wisc.edu/home
8. https://arianna.ps.uci.edu/

Если Вам интересна работа с нами в этом направлении, обращайтесь к руководителю Программы "Физика Фундаментальных взаимодействий" Михаилу Владимировичу Данилову - danilov@lebedev.ru.