Физики из международной коллаборации Baikal-GVD разработали систему цифровой реконструкции траекторий частиц, которая позволяет с точностью до 0,2 градуса определять координаты их источников в глубоком космосе
Международная группа физиков-экспериментаторов из коллаборации ейтринного телескопа Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector — «Детектор объёмом в гигатонну», один из трёх нейтринных детекторов в мире) успешно внедрила программный комплекс, который превращает глубоководный массив датчиков в прецизионный астрономический инструмент. Новые алгоритмы обработки данных позволили достичь медианного углового разрешения в 0,2 градуса при отслеживании треков мюонов — вторичных частиц, возникающих при взаимодействии нейтрино с водой. Для современной науки это означает переход от простой фиксации космического фона к прицельному поиску точечных объектов: активных ядер галактик и блазаров, находящихся на расстоянии миллиардов световых лет от Земли.
Нейтринный телескоп, расположенный в акватории озера Байкал на глубине около 1366 метров, на текущем этапе состоит из 14 независимых кластеров, в которых размещено 4212 оптических модулей. Каждый такой модуль представляет собой герметичную стеклянную сферу с высокочувствительным фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) компании Hamamatsu Photonics. Архитекторы проекта из Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна) и Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН, Москва) спроектировали установку так, чтобы она фиксировала черенковское излучение — слабое голубое свечение, возникающее, когда высокоэнергетические частицы движутся в воде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде.
Работа детектора осложнена интенсивным оптическим фоном, вызванным биолюминесценцией байкальских микроорганизмов. Чтобы выделить редкие нейтринные события из миллиардов вспышек, инженеры-исследователи применили современные методы машинного обучения, в частности градиентный бустинг над решающими деревьями (BDT). Этот интеллектуальный фильтр анализирует около 20 параметров каждого события, позволяя «отсеивать» информационный шум с эффективностью до 70%. Вся первичная информация передаётся в информационно-аналитический хаб ОИЯИ в Дубне, где мощные вычислительные комплексы объединяют сигналы от отдельных датчиков в единые события и проводят их временную калибровку.
Анализ данных за периоды 2019–2021 годов уже позволил учёным выделить 1189 надёжных кандидатов в нейтринные события. Примечательно, что в ходе обработки физики столкнулись с научной интригой: фактический темп регистрации частиц оказался на 30% выше, чем предсказывала теоретическая модель атмосферного потока нейтрино, разработанная Стефаном Бартолом (Stephen Barrtol). Чтобы привести экспериментальные данные в соответствие с теорией, исследователям пришлось ввести специальный поправочный коэффициент. Природа этой аномалии пока что остаётся предметом дискуссий: она может указывать как на необходимость уточнения моделей земной атмосферы, так и на неучтённые калибровочные особенности работы модулей на большой глубине.
Успешная валидация трековых алгоритмов подтверждает, что Baikal-GVD полностью готов к выполнению своей главной миссии — картографированию нейтринного неба Северного полушария в связке с антарктическим детектором IceCube. Благодаря усилиям физиков-экспериментаторов, которые ежегодно отправляются в зимние экспедиции для расширения установки, телескоп стал полноценным «глазом», способным видеть невидимое. Возможность точно определять направление прилёта частиц из экстремально плотных областей Вселенной открывает новую главу в изучении фундаментальной физики сверхвысоких энергий и механизмов работы самых мощных ускорителей материи в космосе.
