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

Симулятор войны Симулятор войны

Современные дети не играют в войну, зато в нее играют их родители

Популярная механика
Легко! Завести служебный роман Легко! Завести служебный роман

Как правило, служебный роман ни к чему хорошему не приводит, но ты исключение

Maxim
Прав ли Галилей? Прав ли Галилей?

Можно ли вращаться по инерции?

Наука и жизнь
Жвачка и молоко: 5 способов справиться с изжогой по науке Жвачка и молоко: 5 способов справиться с изжогой по науке

Можно ли справиться с изжогой и надо ли для этого обращаться к врачу?

Cosmopolitan
Число круче, чем π Число круче, чем π

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

Наука и жизнь
«Сказал девушке, что придумал звук камеры на iPhone — она лишь странно посмотрела»: история саунд-дизайнера Джима Рикса «Сказал девушке, что придумал звук камеры на iPhone — она лишь странно посмотрела»: история саунд-дизайнера Джима Рикса

Джим Рикс придумал звуки щелчка камеры iPhone и приветствия Mac

VC.RU
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Не делай так: 5 привычек, из-за которых твое лицо стареет Не делай так: 5 привычек, из-за которых твое лицо стареет

5 привычек, которые помогут поддержать красоту и молодость лица

Cosmopolitan
Здоровый настрой: 7 надежных клиник Здоровый настрой: 7 надежных клиник

Есть заведения, в которых лечиться не опасно

Вокруг света
Приготовьте спагетти по рецепту Донателлы Версаче Приготовьте спагетти по рецепту Донателлы Версаче

Освойте новое блюдо от дизайнера Донателлы Версаче

GQ
Домашние огурцы Домашние огурцы

Внесезонное выращивание огурцов — занятие крайне интересное

Наука и жизнь
Космический Черниговский Космический Черниговский

Академик Владимир Черниговский — визионер и провидец

Собака.ru
Принц и бунтарка из народа: история любви короля Испании и его супруги Летиции Принц и бунтарка из народа: история любви короля Испании и его супруги Летиции

Не только британская королевская семья пользуется популярностью во всем мире

Cosmopolitan
О потерях говорить рано, но разработчики и рекламодатели напряжены: первые результаты запрета на сбор IDFA в iOS 14.5 О потерях говорить рано, но разработчики и рекламодатели напряжены: первые результаты запрета на сбор IDFA в iOS 14.5

Некоторые называют новые правила Apple «атомной бомбой»

VC.RU
Алексей Жидковский: «У меня не те данные, чтобы заниматься вокалом профессионально» Алексей Жидковский: «У меня не те данные, чтобы заниматься вокалом профессионально»

Танцевальный плейлист от блогера Алексея Жидковского

ЖАРА Magazine
Авитаминоз и как с ним бороться: тренировка для бодрости Авитаминоз и как с ним бороться: тренировка для бодрости

Кардиотренировки помогут поддерживать витамины в теле

Cosmopolitan
Как проходит допрос сексуальных маньяков Как проходит допрос сексуальных маньяков

Почему люди становятся маньяками, и что ими движет?

СНОБ
Алюминий в цирконах указал на старт тектоники плит в раннем архее Алюминий в цирконах указал на старт тектоники плит в раннем архее

Около 3,6 миллиарда лет назад Земля переживала становление тектонического режима

N+1
8 «секретных» функций WhatsApp, которыми пора начать пользоваться 8 «секретных» функций WhatsApp, которыми пора начать пользоваться

Используй мессенджер по максимуму

Playboy
Годовалые дети сочли сверхъестественные способности признаком авторитета Годовалые дети сочли сверхъестественные способности признаком авторитета

Младенцы связали сверхъестественные способности с социальным доминированием

N+1
Огуречная диета: польза, риски и отзывы врача Огуречная диета: польза, риски и отзывы врача

Что будет, если есть только огурцы?

РБК
Как пережить развод: 8 советов от тех, кто уже сталкивался с бюрократическим расставанием Как пережить развод: 8 советов от тех, кто уже сталкивался с бюрократическим расставанием

Как пережить развод: 8 этапов

GQ
Жизнь как «Шоу Трумэна»: 9 интересных фактов о принце Гарри Жизнь как «Шоу Трумэна»: 9 интересных фактов о принце Гарри

Принц Гарри поделился впечатлениями о жизни в королевской семье

РБК
Известные женщины, которые не сдались после травм, катастроф и нападений Известные женщины, которые не сдались после травм, катастроф и нападений

Пожар, ампутация, заболевания - такие испытания легли на плечи наших героинь

Cosmopolitan
«Я разрешила себе любить детей по-разному» «Я разрешила себе любить детей по-разному»

«Кто из детей тебе ближе?» На этот вопрос очень трудно ответить честно

Psychologies
Как изменились звезды телесаги «Две судьбы»: Семёнова, Вольская и другие Как изменились звезды телесаги «Две судьбы»: Семёнова, Вольская и другие

Российская мелодрама, которая стала нашим ответом латиноамериканским сериалам

Cosmopolitan
Алена Яковлева. Три судьбы Алена Яковлева. Три судьбы

Судьба актрисы Алены Яковлевой

Коллекция. Караван историй
Как почувствовать радость материнства Как почувствовать радость материнства

Что такое материнское выгорание

Psychologies
5 видов психологического насилия 5 видов психологического насилия

Газлайтинг, неглект — слова, за которыми скрывается боль и разочарование

Добрые советы
Таруса, или куда поехать на выходные Таруса, или куда поехать на выходные

Таруса: так близко и так далеко одновременно

Seasons of life
Открыть в приложении