Как выглядят современные нейтринные детекторы

Наука и жизньНаука

Нейтрино ловят на глубине

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Спуск гирлянды под воду со льда на Байкале во время зимней экспедиции 2021 года. Фото Баира Шайбонова/Baikal-GVD

13 марта 2021 года на Байкале официально был введён в строй крупнейший в Северном полушарии глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector — детектор объёмом в миллиард тонн). Фактически он уже работал с 2016 года, хотя и не в полном объёме. Его главная цель — исследование потоков нейтрино сверхвысоких энергий от космических источников, так называемых астрофизических нейтрино (о них можно прочитать в статье «Космические нейтрино высоких энергий рождаются квазарами», «Наука и жизнь», № 4, 2021 г.). Такие нейтрино помогут астрофизикам разобраться в протекании самых мощных космических процессов, понять ранние стадии эволюции Вселенной, тёмной материи и тёмной энергии. Вместе с телескопами IceCube (Антарктида), ANTARES и KM3NeT (Средиземное море) Baikal-GVD входит в глобальную нейтринную сеть (The Global Neutrino Network, GNN), которая может регистрировать нейтрино, приходящие изо всех точек небесной сферы.

Нейтринные телескопы фиксируют нейтрино, прошедшие сквозь Землю, что позволяет отсеять другие частицы, которые не способны преодолеть этот естественный барьер. Поэтому крупнейший на сегодняшний день американский нейтринный телескоп IceCube, расположенный вблизи Южного полюса, «ловит» главным образом нейтрино, приходящие из северного полушария неба. Байкальский телескоп, в свою очередь, будет «видеть» южную небесную полусферу. Для своей работы антарктический телескоп использует около одного кубического километра льда (отсюда и его название, в переводе означающее «ледяной куб»). Российский телескоп пока использует для работы в два раза меньший объём воды, однако ожидается, что уже в ближайшие годы он сравняется с американским, а затем и превзойдёт его.

Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, для них прозрачна не только Земля, но и Солнце. С одной стороны, это делает их важнейшим источником информации о процессах, происходящих внутри звёзд или в глубинах космоса, а с другой стороны, приводит к большим сложностям при их наблюдении. Для регистрации этой неуловимой частицы необходимы детекторы с огромным количеством рабочего вещества, чтобы повысить вероятность того, что нейтрино всё же столкнётся с атомом. Так что современные наземные нейтринные детекторы, по сути, представляют собой огромные резервуары, спрятанные глубоко под землёй и заполненные сотнями и тысячами тонн жидкости — сцинтиллятора. Так называют вещества, испускающие свет при поглощении ионизирующего излучения или частиц. Японский детектор Super-Kamiokande содержит 50 тысяч тонн очищенной воды, а итальянская установка Borexino — 278 тонн псевдокумола (1,2,4-триметилбензола).

Схема установки Baikal-GVD по состоянию на 2020 год, когда было размещено семь кластеров, номера которых показаны в цветных кружках. Рисунок: ИЯИ/Baikal-GVD

При прохождении нейтрино сквозь большой объём жидкости некоторые из них всё же иногда будут остановлены её атомами. В результате взаимодействия образуется либо мюон, либо ливень из частиц высоких энергий, называемый каскадом, поскольку в нём последовательно одни частицы порождают другие. И мюон, и частицы ливневого каскада вызывают свечение воды, получившее название черенковского излучения в честь советского физика П. А. Черенкова, который обнаружил его вместе с С. И. Вавиловым в 1934 году. Оно возникает тогда, когда заряженная частица движется в среде со скоростью большей, чем скорость света в ней (напомним, что скорость света в веществе меньше, чем в вакууме, и определяется коэффициентом преломления). За вспышками, отмечающими появление нейтрино, следят фотодетекторы.

Регистрация частиц каскада позволяет определить энергию первичного нейтрино, но направление его прихода определяется с большой погрешностью. В случае мюона ситуация обратная. Он пролетает детектор насквозь, и фиксация его трека даёт возможность достаточно точно определить направление, с которого пришло первичное нейтрино, а вот его энергия определяется с большой погрешностью.

Использовать в качестве детектора нейтрино глубокие естественные водоёмы — озёра, моря и океаны — предложил ещё в 1960 году на Рочестерской конференции в США академик Моисей Александрович Марков (1908—1994), в будущем сотрудник Института ядерных исследований АН СССР (ныне ИЯИ РАН). В этом случае детекторы, не ограниченные размером резервуара, могут иметь просто гигантский размер. Ведь тот же кубический километр воды, который запланирован для байкальской установки, имеет массу один миллиард тонн, о чём и говорит её название. К тому же толстый слой воды над детектором одновременно служит дополнительным фильтром, защищающим его от лишних частиц и излучений.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Мухи вредные и полезные Мухи вредные и полезные

Насекомые — это как бы параллельный мир, окружающий нас повсюду

Наука и жизнь
Как заниматься спортом, чтобы жить дольше? Рассказывает биохакер Дэйв Эспри Как заниматься спортом, чтобы жить дольше? Рассказывает биохакер Дэйв Эспри

Силовые тренировки как способ омолодить тело и мозг

Reminder
Новый мир в штате Чьяпас Новый мир в штате Чьяпас

Жизнь революционных сапатистов

Вокруг света
Семь секретов стратегии Continuous Listening Семь секретов стратегии Continuous Listening

Как создать сильную команду, которая сама будет притягивать сильных сотрудников

Forbes
Прав ли Галилей? Прав ли Галилей?

Можно ли вращаться по инерции?

Наука и жизнь
Ирина Шихман: «Моя проблема – это я сама» Ирина Шихман: «Моя проблема – это я сама»

«Я Ира, мне 37 лет, и я не хочу детей», – признается автор популярного канала

Psychologies
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Быть честным с собой: как ставить правильные цели Быть честным с собой: как ставить правильные цели

Обычно мы понимаем, что пришло время перемен, когда не получаем того, чего хотим

Psychologies
Лучший иностранец России Лучший иностранец России

Фритьоф Нансен был убежден: «Благотворительность — это реальная политика»

Вокруг света
«Поняла — если не прекращу, то сопьюсь в одиночестве»: как я победила алкоголизм «Поняла — если не прекращу, то сопьюсь в одиночестве»: как я победила алкоголизм

Наша героиня, достигнув дна, нашла в себе силы оттолкнуться, начать жизнь заново

Cosmopolitan
Шпалера со смыслами Шпалера со смыслами

Фламандская шпалера середины XVI века

Дилетант
Артисты фестиваля Esquire Weekend: «Лованда» — семейный дуэт из Екатеринбурга, который играет бодрый фанк с элементами хип-хопа Артисты фестиваля Esquire Weekend: «Лованда» — семейный дуэт из Екатеринбурга, который играет бодрый фанк с элементами хип-хопа

Группа "Лованда" играет бодрый поп и фанк

Esquire
Инна Маликова: «Для меня существует одна диета – не переедать» Инна Маликова: «Для меня существует одна диета – не переедать»

Инна Маликова откровенно рассказала о том, что позволяет ей сохранять фигуру

Худеем правильно
Как почувствовать радость материнства Как почувствовать радость материнства

Что такое материнское выгорание

Psychologies
«Сумерки» 13 лет спустя: как сегодня выглядят главные актеры саги «Сумерки» 13 лет спустя: как сегодня выглядят главные актеры саги

Как изменились главные актеры самой романтичной вампирской саги

Cosmopolitan
Форма воды Форма воды

Каждую весну и на подиумах, и на полках масс-маркета появляются тельняшки

Forbes Life
13 фраз, которые могут заставить вас сомневаться в своей адекватности 13 фраз, которые могут заставить вас сомневаться в своей адекватности

Как понять, что за чужой любовью и заботой скрываются манипуляции

Psychologies
Как защитить себя от губительного воздействия стресса Как защитить себя от губительного воздействия стресса

Как защитить себя и свое здоровье от стресса

Psychologies
Кто такие люди-рыбки? Все об ихтиозе: виды, симптомы, лечение Кто такие люди-рыбки? Все об ихтиозе: виды, симптомы, лечение

Как проявляется ихтиоз и какие есть варианты лечения

РБК
Эксперимент и документ. Какими получились новые фильмы о Сахарове Эксперимент и документ. Какими получились новые фильмы о Сахарове

Два фильма, посвященных знаменитому физику и правозащитнику Андрею Сахарову

РБК
Преддефолтная терапия: какие риски для российских компаний и банков несет новый пакет помощи Лукашенко Преддефолтная терапия: какие риски для российских компаний и банков несет новый пакет помощи Лукашенко

Признав победу Александра Лукашенко, Кремль стал заложником своих решений

Forbes
Заголовок: Лина Миримская. Не как все Заголовок: Лина Миримская. Не как все

Актриса Лина Миримская о внутренней природе на съемках

Коллекция. Караван историй
Демоны Аннелизы: как погибла девушка с эпилепсией, из которой изгоняли бесов Демоны Аннелизы: как погибла девушка с эпилепсией, из которой изгоняли бесов

«Шесть демонов Эмили Роуз». фильмы снятые по мотивам реальной истории

Cosmopolitan
Тогда и сейчас: как выглядели в юности самые яркие участницы «Фабрики звезд» Тогда и сейчас: как выглядели в юности самые яркие участницы «Фабрики звезд»

Знаменитости, которые прославились благодаря проекту «Фабрика звезд»

Cosmopolitan
Исчезающие кондоры облюбовали дом жительницы Калифорнии Исчезающие кондоры облюбовали дом жительницы Калифорнии

Численность калифорнийских кондоров растет благодаря охране

N+1
Хиромантия для начинающих. Как предсказать болезни по линиям и знакам на ладонях Хиромантия для начинающих. Как предсказать болезни по линиям и знакам на ладонях

Как с помощью линий на ладонях предугадать проблемы со здоровьем?

Cosmopolitan
Ферментируй это Ферментируй это

Квашеная капуста, кимчи и комбуча становятся главными героями гастроповестки

Tatler
​Горизонтальные видео, онлайн-магазин в стримах и голосовые сообщения: чем «китайский TikTok» отличается от западного ​Горизонтальные видео, онлайн-магазин в стримах и голосовые сообщения: чем «китайский TikTok» отличается от западного

Чем отличается китайский Douyin от TikTok

VC.RU
5 спин-оффов, которые превзошли наши ожидания 5 спин-оффов, которые превзошли наши ожидания

«Лучше звоните Солу», «Рэтчед» и другие блестящие спин-оффы

GQ
5 мифов о том, как работают наши мышцы 5 мифов о том, как работают наши мышцы

Правда о том, как работают мышцы и из-за чего они болят

Популярная механика
Открыть в приложении