Неуловимые частицы, искуственный интеллект: что ищут учёные на дне Байкала?

Если вы не астрофизик, а простой человек, который любит позалипать на звёзды по ночам, то вряд ли каждый день думаете о нейтрино. А зря! Нейтрино — это такие мелкие, почти неуловимые частицы, которые носятся по всей Вселенной и легко пролетают сквозь Землю (и даже вашу подушку, пока вы спите).

Так что же это за частицы, зачем их ловят, почему для этого построили телескоп прямо на дне озера Байкал и причём тут нейросети?

Окей, что за нейтрино вообще?

В общем, нейтрино — это такие мельчайшие элементарные частицы, которые практически не имеют массы и электрического заряда. Они буквально игнорируют всё вокруг — почти никак не взаимодействуют с материей — пролетают через Землю, через нас, через что угодно, почти не оставляя следов.

Как тот самый суслик: их никто не видит, но они есть, и несут важную инфу о самых далёких уголках Вселенной.

Нейтрино были впервые предсказаны в 1930 году физиком Вольфгангом Паули. Он тогда предложил существование частицы, которая помогает объяснить, куда девается энергия в определённых ядерных реакциях. А доказать, что нейтрино реально существует, смогли только через 26 лет — в 1956 году.

Это яркий пример того, как теория долгое время опережала эксперименты: нейтрино было так сложно обнаружить как раз из-за того, что они почти не взаимодействуют с материей.

Всего есть три типа (или «аромата») нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Каждый из них может превращаться в другой тип — этот процесс называется осцилляцией нейтрино. Например, электронное нейтрино, рождённое на Солнце, может по пути к Земле превратиться в мюонное.

Это одна из причин, почему нейтрино настолько сложно изучать: пока они долетают до наших детекторов, они могут несколько раз «перевоплотиться», и за ними тяжело уследить.

Основной источник нейтрино для нас — Солнце и другие звезд, а ещё они рождаются в результате ядерных реакций, взрывов сверхновых и взаимодействий космических лучей с атмосферой Земли.

И если поймать эти частицы, можно узнать, что там происходит за тысячи световых лет от нас (сами понимаете, такие условия на Земле не воссоздашь).

Но есть один нюанс: поймать нейтрино не так уж просто.

Зачем ловить нейтрино в Байкале?

Чтобы засечь нейтрино, нужно что-то большее, чем обычная лаборатория. Именно поэтому в России есть телескоп Baikal-GVD, который буквально стоит на дне озера Байкал. Почему Байкал? А вот почему: вода здесь служит не просто средой для работы телескопа, но и своеобразным фильтром.

Когда нейтрино взаимодействуют с молекулами воды, они могут вызывать черенковское излучение — вспышки света, которые фиксируются оптическими модулями. Эти вспышки рассказывают учёным о направлении, откуда прилетели нейтрино, и о том, какую энергию они несли с собой.

Земной шар в этом процессе выполняет роль огромного природного фильтра, который отсеивает весь мусор из космоса и пропускает только нейтрино.

Сам телескоп состоит из 13 кластеров, каждый из которых включает по 8 вертикальных гирлянд с 36 оптическими модулями на каждой. Эти гирлянды буквально висят в толще воды, на глубине нескольких километров.

В общем, этот телескоп — это не здание с куполом, как мы привыкли видеть, а целая подводная инфраструктура с суперчувствительными сенсорами.

Как ИИ помогает ловить нейтрино?

Вот тут в дело вступает искусственный интеллект (ИИ): дело в том, что телескоп ловит не только нейтрино.

Первая проблема — отделить реальные сигналы, которые вызваны черенковским излучением, от обычной люминесценции воды, которая составляет аж до 90% от всех собранных данных.

Вторая сложность — отсеивание событий, которые возникли из-за атмосферных ливнях — это такие моменты, когда космические лучи сталкиваются с частицами воздуха и создают целый каскад новых частиц. И этот «шум» мешает ловить настоящие нейтрино.

На каждое нейтринное событие приходится от одного до десяти миллионов ложных сигналов, которые нужно отфильтровать.

Поэтому учёные из МФТИ и Института ядерных исследований РАН придумали, как использовать нейросети, чтобы отсеивать весь этот шум и оставлять только нужные данные.

Нейросети помогают быстрее обрабатывать информацию, распознавать полезные сигналы и игнорировать всякую ерунду. Раньше на это уходили годы, а теперь — месяцы.

И главное, теперь телескоп может ловить даже те нейтрино, которые раньше были «слишком тихими», чтобы их заметить.

И что теперь?

Сейчас учёные сосредоточились на том, чтобы оценить поток и энергетический спектр нейтрино, которые видит Baikal-GVD. В перспективе планируется сделать полную карту южного небосвода — по сути, карту источников нейтрино.

Также разработанные нейросети и алгоритмы будут адаптированы для других научных установок, например, для комплекса TAIGA. Это передовая система недалеко от Байкала, которая изучает космические лучи и гамма-излучение.

Но у кого-то может возникнуть вопрос: «А зачем нам вообще все эти ваши нейтрино и телескопы в озёрах?» Всё просто.

Они помогают понять, как работает Вселенная. Когда мы ловим нейтрино, мы получаем информацию о взрывах звёзд, активных ядрах галактик и всяких космических явлениях, которые невозможно увидеть никакими другими способами (помните же, где они появляются?).

Плюс, нейтрино могут помочь разгадать некоторые из самых сложных научных загадок, например, что такое тёмная материя или как вообще появилась наша Вселенная.

Такие дела.