კვლევები

KM3NeT პროექტი

სურათი 1. KM3NeT საერთაშორისო სამეცნიერო თანამშრომლობის ქვეყნები (აღნიშნულია წითლად) და ქალაქები(მონიშნულია თეთრი წრეებით). ნეიტრინული დეტექტორების განლაგების ადგილები ხმლთაშუა ზღვაში აღნიშნულია ყვითელი წრეებით.

KM3NeT ნეიტრინული ფიზიკის და ასტროფიზიკის საერთაშორისო სამეცნიერო პროექტია, რომელსაც ივანე ჯავახიშვილის სახელობის თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტი (მაღალი ენერგიების ფიზიკის ინსტიტუტი) 2017 წელს შეუერთდა. ამჟამად (2018 წლის თებერვალი) ამ თანამშრომლობაში 15 ქვეყნის სამეცნიერო კვლევითი ცენტრები და უნივერსიტეტები მონაწილეობენ. (სურათი 1).

თანამშრომლობის მიზანია ხმელთაშუა ზღვის ფსკერზე განალაგოს ნეიტრინული დეტექტორები, რომელთა საშუალებით შესაძლებელი იქნება კვლევების ჩატარება ნეიტრინულ ფიზიკასა და ასტროფიზიკაში. KM3NeT რთული და ძვირადღირებული სამეცნიერო პროექტია, რომელიც რამდენიმე ეტაპისგან შედგება. ამ ეტაპზე (KM3NeT 2.0) მიმდინარეობს დეტექტორების განლაგება ხმელთაშუა ზღვაში, იტალიისა და საფრანგეთის სანაპიროებთან. აღსანიშნავია, რომ KM3NeT ზღვაში განლაგებულ საკვლევ-ინფრასტრუქტურას წარმოადგენს, რომლის დახმარებით მულტიდისციპლინარული კვლევების ჩატარება იქნება შესაძლებელი, მაგალითად ზღვის მეცნიერებებში (ოკეანოლოგია, ზღვის ბიილოგია) და გეოფიზიკურ კვლევებში.

KM3NeT ნეიტრინული დეტექტორი (სურათი 2) წარმოადგენს ჩერენკოვის დეტექტორს, რომლის საშულებით ხდება რელატივისტური დამუხტული ნაწილაკებით გამოწვეული ჩერენკოვის გამოსხივების რეგისტრაცია. დეტექტორი შედგება ოპტიკური სენსორებისგან, რომლებიც განლაგებულია დეტექტორის ხაზებზე და 3-განზომილებიან ბადეს ქმნის. ოპტიკური სენსორებად პროექტში მაღალი მგრძნობიარობის და დროითი გარჩევისუნარიანობის მქონე ფოტო-გამამრავლებლები გამოიყენება. ფოტო-გამამრავლებლები მოთავსებული არიან ე.წ. ოპტიკურ მოდულში, რომელიც მინის სფეროს წარმოადგენს და ძალიან მაღალ, 600 ატმოსფერომდე წნევას უძლებს. ოპტიკურ მოდულში განლაგებულია ასევე ყალიბრების ხელსაწყოები და სენსორები, რომელთა საშუალებით შესაძლებელი იქნება მოდულის მდებარეობის და ორიენტაციის დადგენა. KM3NeT 2.0 პროექტში ნეიტრინოების დეტექტორები სიცილიის (იტალია) სანაპიროდან დაახლოებით 100 კმ-ის დაშორებით დაახლოებით 3500 მ სიღმეზე და ქ. ტულონიდან (საფრანგეთი) 40 კმ-ის დაშორებით 2500 მ სიღრმეზე განლაგდებიან. პროექტის შემდგომ ეტაპზე, ამ დეტექტორებს დაემატება დაახლოებით 5000 მ სიღრმეზე საბერძნეთის სანაპიროსთან განლაგებული ნეიტრინული დეტექტორი.

სურათი 2. KM3NeT დეტექტორის გრაფიკული სქემა. დეტექტორის ხაზები შეერთებულია ზღვის ფსკერზე მოთავსებულ შემაერთებელ კვანძთან, რომლის საშუალებით დეტექტორს მიეწოდება ელექტრული კვება, ხოლო სენსორების სიგნალები ნაპირზე განლაგებულ დეტექტორის მართვის ცენტრს გადაეცემა.

იტალიის და საფრანგეთის სანაპიროებთან განლაგებული დეტექტორები, ერთსა და იმავე ტექნოლოგიებს ემყარება. განსახვავება მათ შორის მხოლოდ ოპტიკურიმოდულებს შორის მანძილებშია. ნეიტრინული დეტექტორი, რომელიც იტალიის სანაპიროსთან იქნება განლაგებული ორი ბლოკისგან შედგება. თვითოეულ ბლოკში 115 ხაზია. დეტექტორის ხაზებს შორის დაშორება დაახლოებოთ 90 მ შეადგენს, ხოლო ერთ ხაზზე განლაგებული 18 ოპტიკური მოდული ერთმანეთისგან 36 მ-ით არის დაშორებული. ეს დეტექტორი განკუთვნილია მაღალი ენერგიების (100 გევ-ზე მეტი) ნეიტრინოების რეგისტრაციისთვის და ძირითადათ კოსმოსური ნეიტრინოების დაკვირვებისა და შესწავლისთვის იქნება გამოყენებული. იტალიის ნაპირებთან განლაგებული დეტექტორი ცნობილია როგორც KM3NeT/ARCA. ამ დასახელებაში ARCA აღნიშნავს ასტრონაწილაკების კვლევებს დიდ სიღრნეზე (Astroparticle Research with Cosmics in the Abyss).

სურათი 3. KM3NeT/ORCA დეტექტორის განლაგება ხმელთაშუა ზღვაში. დეტექტორი შეადგენს ზღვის მეცნიერებების და ტექნოლოგიების ევროპულ ინფრასტრუქტურის MEUST (Mediterranean Eurocentre for Underwater Sciences and Technologies) ძირითად ნაწილს.

საფრანგეთის სანაპიროსთან განლაგებულ დეტექტორში ოპტიკური მოდულები ერთმანეთთან გაცილებით ახლოს იქნებიან მოთავსებული. ეს დეტექტორი ცნობილია, როგორც KM3NeT/ORCA, რაც აღნიშნავს, რომ დეტექტორის ძირითად დანიშნულებას ნეიტრინოების ოსცილაციების შესწავლა წარმოადგენს  (Oscilation Research with Cosmics in the Abyss). ეს დეტექტორიც 115 ხაზისგან შედგება, რომლებიც ერთმანეთისგან დაახლოებით 20 მ-ით არიან დაშორებული. ისევე როგორც KM3NeT/ARCA შემთხვევაში, დეტექტორის ხაზზე 18 ოპტიკური მოდულია განლაგებული, რომელთა შორის მანძილი 9 მ-ს შეაგენს. KM3NeT/ORCA დეტექტორის ძირითადი დანიშნულებაა ატმოსფერული ნეიტრინოების საშულებით ნეიტრინოების თვისებების შესწავლა. KM3NeT/ORCA დეტექტორის საშუალებით შესაძლებელი იქნება შედარებით დაბალი ენერგიების (რამდენიმე გევ) ნეიტრინოების დაკვირვება.

KM3NeT/ORCA დეტექტორი განლაგებულია ANTARES დეტექტორიდან დაახლოებით 10 კმ-ის დაშორებით (სურათი 3). ANTARES პირველი ზღვის ნეიტრინული დეტექტორია, რომელიც 12 ხაზისგან შედგება და 2007 წლის შემდეგ დღემდე უწყვეტად ფუნქციონირებს. KM3NeT პროექტი სწორედ ANTARES-ში მიღებულ გამოცდილებას ემყარება და ამ პროექტში აპრობირებულ აპარატურულ და პროგრამულ ტექნოლოგიებს იყენებს.

თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტის (მაღალი ენერგიების ფიზიკის ინსტიტუტის) ფიზიკოსთა ჯგუფი ძირითადათ KM3NeT/ORCA პროქტში გეგმავს მონაწილეობას. ჯგუფში მიმდინარე კვლევები დაკავშირებულია ნეიტრინოების ფიზიკასთან, კერძოდ ORCA დეტექტორში რეგისტრირებული ნეიტრინული შემთხვევების აღდგენასა და შესწავლასთან. ამ კვლევის ნაწილს წარმოადგენს ნეიტრინული და ატმოსფერული მიუონების შემთხვევების კომპიუტერული მოდელირება და ანალიზი. KM3NeT/ORCA პროექტის ერთ-ერთი მთავარი მიზანია ნეიტრინოების მასური მდგომარეობების იერარქიის დადგენა. ეს პრობლემა დაკავშირებულია ნეიტრინოების ν₁, ν₂, და ν₃ მასების თანაფარდობასთან. მასების თანაფარდობა m(ν₃)>m(ν₂)>m(ν₁) ცნობილია, როგორც ნორმალური იერარქია (NH – Normal Hierarchy), ხოლო თანაფარდობა m(ν₂) >m(ν₁) >m(ν₃) როგორც შებრუნებული იერარქია (IH – Inverted Hierarchy). ნეიტრინოების მასების იერარქიის დადგენა ნეიტრინული ფიზიკის ერთ-ერთი უმნიშვნელოვანესი ამოცანაა და რამდენიმე ექსპერიმენტული პროექტის ძირითად მიზანს წარმოადგენს. KM3NeT/ORCA დეტექტორში, როგორც კომპიუტერულმა მოდელირებამ აჩვენა ამ პრობლემის გადაწყვეტა 3σ დონეზე 3 წელიწადში იქნება შესაძლებელი (სურათი 4).

სურათი 4. KM3NeT/ORCA დეტექტორის საშუალებით ნეიტრინული მასური იერარაქიის გაზომვის მოსალოდნელი სიზუსტე.

KM3NeT/ORCA დეტექტორის პირველი ხაზი MEUST - ინფრასტრუქტურის შემაერთებელ კვანძში (Junction Box) 2017 წლის სექტემბრიდან არის ჩართული. ამ ხაზიდან 2017 წლის დეკემრის შუა რიცხვებამდე 2 TB-ზე მეტი ინფორმაცია იყო მიღებული. ეს ინფორმაცია მოთავსებულია KM3NeT თანამშრომლობის ძირითად კომპიუტერულ ცენტრში (ქ. ლიონი, საფრანგეთი). ინფორმაციის ნაწილი გადმოწერილია მაღალი ენერგიების ფიზიკის ინსტიტუტის კომპიუტერულ სერვერზე. დეტექტორის შემდეგი ხაზების განლაგება ზღვაში და მონაცემების მიღების განახლება 2018 წლის პირველი ნახევარისთვის არის დაგეგმილი. სურათზე 5 მოყვანილია KM3NeT/ORCA დეტექტორის ერთი ხაზით რეგისტრირებული და აღდგენილი შემთხვევები.

სურ. 5 ზე მოყვანილია სამი შემთხვევა. პირველი ორი (a) და (b) ატმოსფერული მიუონებით გამოწვეული შემთხვევებია. ატმოსფერული მიუონი დეტექტორში ზევიდან ქვევით მოძრაობს. მეორე შემთხვევა სავარაუდოდ რამდენიმე მიუონით (მიუონური კონით) არის გამოწვეული. სურათზე სხვადასხვა ფერი აღნიშნავს ფოტო-სენსორში დაფიქსირებული სიგნალის დროს. მესამე (c) სურათზე მოყვანილია შემთხვევა, როდესაც მიუონი ქვევიდან ზევით მოძრაობს. ასეთი შემთხვევა მიუონური ნეიტრინოთი (ν_μ) არის გამოწვეული. სურათებზე ლურჯი ხაზით აღნიშნულია აღდგენილი მიუონის ტრაექტორია, ხოლო მიუონის მიმართულება ნაჩვენებია ისრით.

სურათი 5. KM3NeT/ORCA დეტექტორის ერთი ხაზით რეგისტრირებული და აღდგენილი შემთხვევების გრაფიკული წარმოდგენა.