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

Число круче, чем π Число круче, чем π

На сегодняшний день нет области знаний, где бы число е не использовалось

Наука и жизнь
Дерзкая Карди Би: горячие фото королевы хип-хопа Дерзкая Карди Би: горячие фото королевы хип-хопа

Подборка откровенных фото популярной рэперши и история ее карьеры.

Playboy
Коперникианская революция: 9 мифов об отце современной астрономии Коперникианская революция: 9 мифов об отце современной астрономии

Что мы знаем о Николае Копернике?

Вокруг света
Измены, деньги, ссоры: почему так быстро разводятся участники «Дома-2» Измены, деньги, ссоры: почему так быстро разводятся участники «Дома-2»

Пары «Дома-2», которые успели и построить любовь, и разобрать ее по кирпичикам

Cosmopolitan
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
В Иерусалиме нашли половину античного светильника в форме головы. Вторая половина нашлась в Будапеште В Иерусалиме нашли половину античного светильника в форме головы. Вторая половина нашлась в Будапеште

Бронзовая лампа была замурована в фундамент римского дома в Городе Давида

N+1
Васаби, японский хрен или китайская зелёная горчица Васаби, японский хрен или китайская зелёная горчица

Приправа, о которой многие слышали, но мало кто знает, что это такое

Наука и жизнь
Как сейчас выглядят любимые девушки Данилы Багрова из «Брата» и «Брата-2» Как сейчас выглядят любимые девушки Данилы Багрова из «Брата» и «Брата-2»

Актрисы, давшие образы героиням фильмов «Брата» и «Брат-2»

Cosmopolitan
Проявить мягкость Проявить мягкость

Мексиканцы готовы есть десерты на завтрак, обед и ужин

Вокруг света
Объятия, гаджеты и пицца: секреты Кейт Миддлтон по воспитанию детей Объятия, гаджеты и пицца: секреты Кейт Миддлтон по воспитанию детей

Как Кейт Миддлтон воспитывает своих детей

Cosmopolitan
Цифровое бессмертие Цифровое бессмертие

Sensorium Galaxy – VR-платформа, которая способна преобразить нашу жизнь

Популярная механика
Угли — всему голова Угли — всему голова

Наши предки не знали слова «барбекю», но мясо на костре жарили с удовольствием

Bones
Вегетарианцы или мясоеды: ученые выяснили, кто здоровее Вегетарианцы или мясоеды: ученые выяснили, кто здоровее

Ученые: вегетарианцы могут оказаться здоровее мясоедов

Cosmopolitan
Все равны, но мужья равнее: как возникло моногамное супружество Все равны, но мужья равнее: как возникло моногамное супружество

Как возникла традиционная — патриархальная и моногамная — семья

Forbes
Игра с драконами Игра с драконами

Хотя маджонг не имеет международного признания, он известен во всем мире

Вокруг света
Советы от противного. 10 совершенно бесчестных способов соблазнения Советы от противного. 10 совершенно бесчестных способов соблазнения

10 бесчестных способов соблазнения

Maxim
«За рулем был кто-то другой»: откровения больного сексомнией «За рулем был кто-то другой»: откровения больного сексомнией

Колонка мужчины, живущего с психическим расстройством

Esquire
Безумная история Безумная история

Чтобы разобраться в русском прошлом, без психиатра не обойтись

Дилетант
От «Красных» до «Чернобыля»: 5 фильмов о русских, снятых иностранцами От «Красных» до «Чернобыля»: 5 фильмов о русских, снятых иностранцами

Международный кинематограф нередко обращается к судьбе России

GQ
Как начать разговор с девушкой: полный гайд, как очаровать, а не напугать незнакомку Как начать разговор с девушкой: полный гайд, как очаровать, а не напугать незнакомку

Дельные советы, как познакомиться с понравившейся девушкой

Playboy
Дом солнца Дом солнца

Уютный особняк с современным и респектабельным интерьером

SALON-Interior
Живая посуда, суперкостюм для мяса и другие биотехнологии будущего для человека Живая посуда, суперкостюм для мяса и другие биотехнологии будущего для человека

Специалисты предлагают новые варианты борьбы с отходами

Популярная механика
Первомайский свальный грех: история оргий от Древнего Египта до наших дней Первомайский свальный грех: история оргий от Древнего Египта до наших дней

Ничего необычного или нового в оргиях нет

Cosmopolitan
10 тюремных лайфхаков, применимых в быту 10 тюремных лайфхаков, применимых в быту

Настоящие олдскульные образцы тюремной смекалки

Maxim
Сад земных наслаждений Сад земных наслаждений

Учимся заново жить после карантина вместе с Аней Тейлор-Джой

Tatler
Как с возрастом меняется женская сексуальность? Как с возрастом меняется женская сексуальность?

О том, каким бывает секс в разные периоды нашей жизни, рассказывает секс-коуч

Psychologies
«Я нашел свой путь в зрелом возрасте» «Я нашел свой путь в зрелом возрасте»

Как понять, где наша настоящая жизнь и когда не поздно начинать ее?

Psychologies
Восстановление после родов: что такое послеродовое пеленание и кому оно подходит Восстановление после родов: что такое послеродовое пеленание и кому оно подходит

После родов всё идет совсем не так как раньше

Cosmopolitan
Даосская «суперсила» Дэ: создаем гармонию внутри и снаружи Даосская «суперсила» Дэ: создаем гармонию внутри и снаружи

Какие практики помогают приблизиться к состоянию гармонии

Psychologies
Не до шуток: ждать ли нового обвала крипторынка Не до шуток: ждать ли нового обвала крипторынка

Крипторынок не устоял под натиском властей Китая

Forbes
Открыть в приложении