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

Тайна завитка под буквой «Д» Тайна завитка под буквой «Д»

История раскрытия, изложенная в двух частях с предисловием

Наука и жизнь
От 13 тысяч рублей к 100: как я ушла в IT и стала получать в семь раз больше От 13 тысяч рублей к 100: как я ушла в IT и стала получать в семь раз больше

Можно ли в 30 лет кардинально поменять свою жизнь, освоив новую профессию?

Cosmopolitan
9 мифов об Альберте Эйнштейне 9 мифов об Альберте Эйнштейне

Правда и мифы о создателе теории относительности

Вокруг света
Ложный след: почему ужесточение оборота оружия не поможет предотвратить трагедии в школах Ложный след: почему ужесточение оборота оружия не поможет предотвратить трагедии в школах

Ужесточение оборота оружия не повлияет на уровень насилия в школах

Forbes
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
Вызов брошен Вызов брошен

Чем отличается эпатаж от художественного высказывания?

Лиза
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Распределяй и властвуй: почему взлетели токены IСP и как их создатель хочет победить Google и Amazon Распределяй и властвуй: почему взлетели токены IСP и как их создатель хочет победить Google и Amazon

Какая судьба ждет ICP?

Forbes
«Русская акция» в Чехословакии «Русская акция» в Чехословакии

Как жилось в самой Чехословакии русским эмигрантам

Дилетант
Прикинь, да? Как выглядят солисты «На-На» спустя 32 года после основания группы Прикинь, да? Как выглядят солисты «На-На» спустя 32 года после основания группы

Как изменились парни с тех пор и что стало с выбывшими из «На-На» музыкантами?

Cosmopolitan
Неизвестные X и Y Неизвестные X и Y

Как и, главное, зачем природа разделила обитателей земли на юношей и девушек

Вокруг света
Правила жизни Миуччи Прады Правила жизни Миуччи Прады

Правила жизни модного дизайнера Миуччи Прады

Esquire
«Много обещаний, мало результата»: почему беспилотники не стали повсеместным транспортом, как обещали разработчики «Много обещаний, мало результата»: почему беспилотники не стали повсеместным транспортом, как обещали разработчики

Времени и денег на создание безопасных машин нужно еще много

VC.RU
Медленно, но верно: как восстановить баланс между отдыхом и работой Медленно, но верно: как восстановить баланс между отдыхом и работой

Как найти свой рабочий ритм, следовать ему и при этом все успевать?

Psychologies
«Муж работает, жена красивая»: как мужчины учат нас жить и зачем им это нужно «Муж работает, жена красивая»: как мужчины учат нас жить и зачем им это нужно

«Кодекс Тарасовых» — правила, по которым живут Дмитрий Тарасов и его супруга

Cosmopolitan
Как восстановить ногти после гель-лака Как восстановить ногти после гель-лака

Стойкий маникюр ухудшает качество ногтей — миф это или правда?

Cosmopolitan
МДМА снова помог людям с ПТСР МДМА снова помог людям с ПТСР

МДМА помог в лечении посттравматического стрессового расстройства

N+1
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
Сооснователь Netflix: Ваша идея — отстой. Но это вообще не важно Сооснователь Netflix: Ваша идея — отстой. Но это вообще не важно

Вы должны перестать думать и начать делать

Inc.
Диким предком арбуза оказался кордофанский арбуз из Судана Диким предком арбуза оказался кордофанский арбуз из Судана

Дикого предка арбуза одомашнили более четырех тысяч лет назад

N+1
Почему мы медлим с принятием решения: 6 причин и их последствия Почему мы медлим с принятием решения: 6 причин и их последствия

Почему нам так сложно принять решение

Psychologies
7 женских предметов гардероба, которые были придуманы для мужчин 7 женских предметов гардероба, которые были придуманы для мужчин

Через что нашим предкам пришлось пройти в ходе эволюции моды

Maxim
10 способов взбодриться в середине дня 10 способов взбодриться в середине дня

Как вернуть себе работоспособность?

Psychologies
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
Грязи не боимся: топ-8 достойных стиральных машин на 4, 5 и 6 кг Грязи не боимся: топ-8 достойных стиральных машин на 4, 5 и 6 кг

Стиральная машина для дома может быть качественной, функциональной и недорогой

CHIP
Стройплощадка с чистой совестью Стройплощадка с чистой совестью

Экодома теперь вырабатывают энергию, сохраняют ресурсы и перерабатывают отходы

AD
Делай ноги! Как вырасти на 10 сантиметров и даже больше Делай ноги! Как вырасти на 10 сантиметров и даже больше

Больно, долго, дорого, но потом ты сам себе будешь завидовать

Maxim
Галактический котел: что увидели астрономы в центре Млечного Пути Галактический котел: что увидели астрономы в центре Млечного Пути

С помощью рентгеновских лучей ученые заглянули в центр Галактики

Forbes
Это по любви: 20 романтических комедий на Netflix Это по любви: 20 романтических комедий на Netflix

Сериалы, которые помогут забыть о собственных романтических промахах

Esquire
Человек в красной феске Человек в красной феске

Поговорим о Роберте Рафаиловиче Фальке

Наука и жизнь
Открыть в приложении