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

Великое нашествие Великое нашествие

Вторжение монголов обратило русских государей в деспотов ордынского типа

Дилетант
На все четыре: что такое муфта Haldex и как она эволюционировала На все четыре: что такое муфта Haldex и как она эволюционировала

Как развивалась муфта Haldex, к чему пришла и по какому принципу действует?

Популярная механика
100 самых сексуальных женщин страны 100 самых сексуальных женщин страны

100 самых сексуальных женщин страны

Maxim
Поехали к своим Поехали к своим

Где на Руси хорошо отдохнуть?

Robb Report
Секрет 2000-летней липы… Секрет 2000-летней липы…

Дерево может продолжать жить веками, разрастаясь по кругу

Наука и жизнь
Антиоксиданты в еде и косметике: польза, риски, мнение эксперта Антиоксиданты в еде и косметике: польза, риски, мнение эксперта

Разбираемся, насколько антиоксиданты важны для организма

РБК
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
12. Новые имена в моде 12. Новые имена в моде

«Новые имена в моде» — ежегодный конкурс редакции «Собака.ru»

Собака.ru
Подмосковное озеро расскажет о развитии Земли Подмосковное озеро расскажет о развитии Земли

В Московской области нашли озера, которые могут иметь метеоритное происхождение

Наука и жизнь
Минута славы: как сложились судьбы победителей «Фабрики звезд» Минута славы: как сложились судьбы победителей «Фабрики звезд»

Что стало с выпускниками «Фабрики звезд»

Cosmopolitan
Бриллиант высокой кухни Бриллиант высокой кухни

Трюфели — одни из самых изысканных деликатесов мировой кулинарии

Наука и жизнь
8 неожиданных старых фильмов о Великой Отечественной и Второй мировой войне 8 неожиданных старых фильмов о Великой Отечественной и Второй мировой войне

Подборка самых необычных военных фильмов прошлых лет

Esquire
Артем Овчаренко: о премьере балета «Чайка» в Большом театре, любви к себе и онлайн-шопинге Артем Овчаренко: о премьере балета «Чайка» в Большом театре, любви к себе и онлайн-шопинге

Артем Овчаренко – о премьере балета «Чайка» в Большом театре и любви к одежде

GQ
Как умный дом помогает удаленной работе Как умный дом помогает удаленной работе

Умный дом может не только помочь отдохнуть, но и повысить продуктивность

Популярная механика
Малая земля Малая земля

Крохотный остров под боком у Ибицы обзавелся виллой с коллекцией искусства

AD
Археологи связали арабские мустатилы с неолитическим скотоводческим культом Археологи связали арабские мустатилы с неолитическим скотоводческим культом

Архитектура скотоводческого культа на северо-западе Аравии

N+1
Огород на подоконнике: почему он вам нужен и как завести собственный Огород на подоконнике: почему он вам нужен и как завести собственный

Почему домашнее огородничество отличное занятие и как к нему подступиться?

Esquire
Deepfake: когда для создания видеоролика достаточно одной фотографии Deepfake: когда для создания видеоролика достаточно одной фотографии

Как с помощью новых технологий создается видео без съемочного процесса

Популярная механика
Букет возможностей Букет возможностей

Использование трав и цветов в приготовлении еды — тренд в кулинарии не новый

Bones
Внесистемный элемент. Тест-драйв обновленного Kia Stinger Внесистемный элемент. Тест-драйв обновленного Kia Stinger

Тест-драйв нового Kia Stinger

РБК
Список надежды Список надежды

Forbes представляет третий российский рейтинг молодых и перспективных до 30 лет

Forbes
30 до 30. Предпринимательство 30 до 30. Предпринимательство

Список Forbes молодых и перспективных россиян. Предпринимательство

Forbes
«Четырехдневка» — реальность или мечта? Где эта система уже работает, и что говорят ученые «Четырехдневка» — реальность или мечта? Где эта система уже работает, и что говорят ученые

Чем хороша четырехдневная рабочая неделя?

Популярная механика
5 черт характера, которые мы обязаны позаимствовать у плохих девочек 5 черт характера, которые мы обязаны позаимствовать у плохих девочек

У плохих девочек вообще есть чему поучиться

Cosmopolitan
11 известных актеров, которые одинаково блестяще сыграли как злодеев, так и положительных героев 11 известных актеров, которые одинаково блестяще сыграли как злодеев, так и положительных героев

Настоящие универсальные солдаты киноиндустрии!

Playboy
Давай бояться вместе: 5 главных женских страхов Давай бояться вместе: 5 главных женских страхов

Женщины имеют право быть трусливыми. Вот как они этим правом распоряжаются

Maxim
Как развить «мышление изобилия» Как развить «мышление изобилия»

Большинство из нас сами загоняют себя в тесные рамки

Psychologies
Союз нерушимый Союз нерушимый

Кто и как превратил студию «Союзмультфильм» в модный бренд

GQ
5 фактов о микроблейдинге, узнав которые, ты точно откажешься от процедуры 5 фактов о микроблейдинге, узнав которые, ты точно откажешься от процедуры

Что делать, если матушка-природа наградила тебя жидкими, бесцветными бровями

Cosmopolitan
«Деньги буквально валяются под ногами»: как Lipton сократил затраты, сделав ставку на устойчивое развитие «Деньги буквально валяются под ногами»: как Lipton сократил затраты, сделав ставку на устойчивое развитие

История о том, как компания Lipton сделала ставку на социальную ответственность

Forbes
Открыть в приложении