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
Залика Рид-Бента: Жареный плантан Залика Рид-Бента: Жареный плантан

Отрывок из сборника рассказов «Жареный плантан» Залики Рид-Бенты

СНОБ
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Первая леди финтеха Первая леди финтеха

Девушка из Краснознаменска стала директором крупнейшего венчурного фонда Европы

Forbes
Успеть за 15 секунд Успеть за 15 секунд

Людям надоело притворяться – в TikTok они остаются собой

Популярная механика
«Друзья. Воссоединение»: каким получился специальный выпуск ситкома «Друзья. Воссоединение»: каким получился специальный выпуск ситкома

Рассказываем, как прошло воссоединение «Друзей»

РБК
Любители подземной тишины Любители подземной тишины

Что может быть страннее белых растений!

Наука и жизнь
«Меркель, введи войска». Может ли Европа что-то поделать с белорусским режимом «Меркель, введи войска». Может ли Европа что-то поделать с белорусским режимом

Борьба с авторитарными режимами напоминает борьбу с наркотиками

СНОБ
Зачем насекомым хоботки? Зачем насекомым хоботки?

Насекомые приспособлены к условиям обитания лучше большинства других животных

Наука и жизнь
Ё-моё, сани и бутылка водки Ё-моё, сани и бутылка водки

Что изобретают и патентуют богатейшие люди России

Forbes
Путешествуем дома Путешествуем дома

Как государства сопротивляются краху туристической отрасли

Forbes
Ипотека на двоих: готовы ли вы к ней финансово? Ипотека на двоих: готовы ли вы к ней финансово?

Как понять, что ваша пара готова к ипотеке

Psychologies
5 историй любви известных художников 5 историй любви известных художников

Какими были жены известных русских художников?

Культура.РФ
30 до 30. Музыка 30 до 30. Музыка

Список Forbes молодых и перспективных россиян. Музыка

Forbes
Флагман индустрии Флагман индустрии

В СССР Нижний Новгород превратился в ведущий промышленный центр страны

Дилетант
Жертвы традиции: как патриархат вынуждает женщин становиться эмоциональной обслугой Жертвы традиции: как патриархат вынуждает женщин становиться эмоциональной обслугой

Какую роль в передаче материнской травмы играют патриархальные установки?

Forbes
Бургер после тренировки и запреты для беременных: разоблачаем мифы о фитнесе Бургер после тренировки и запреты для беременных: разоблачаем мифы о фитнесе

Мифы о фитнесе

Psychologies
Ночная прокрастинация: почему мы не ложимся спать вовремя Ночная прокрастинация: почему мы не ложимся спать вовремя

Важные дела завершены, на часах полночь, но ты все еще не спишь — узнаешь себя?

Cosmopolitan
Закат ИТ-монополизма Закат ИТ-монополизма

Штраф, который ФАС наложила на Apple, признак глобального заката ИТ-монополизма

Эксперт
От чего зависит твой рост? От чего зависит твой рост?

От чего зависит, достигнешь ли ты своего максимального потенциала в росте

Maxim
«Лазерный твист»: химики открыли лекарство, изменяющее свойства под действием света «Лазерный твист»: химики открыли лекарство, изменяющее свойства под действием света

Ученые из СПбГУ открыли новое органическое соединение из группы тиазолотриазолов

Популярная механика
Арт-резня Арт-резня

Михаил Трофименков о «Новом порядке» как имитации политического кино

Weekend
Второй ребенок Второй ребенок

Психолог: как принять вторую беременность и полюбить ребенка

9 месяцев
16 фильмов до 90 минут — для тех, кто очень занят 16 фильмов до 90 минут — для тех, кто очень занят

Подборка коротких фильмов до 90 минут, доступных на Netflix

Esquire
Тест-драйв. В винную столицу России на новой Skoda Octavia Тест-драйв. В винную столицу России на новой Skoda Octavia

Тест-драйв новой Skoda Octavia

СНОБ
7 правил выживания. Как вести себя во время вооруженного нападения в школе 7 правил выживания. Как вести себя во время вооруженного нападения в школе

Что делать подростку, если на его школу напали?

СНОБ
Нижегородка №1 Нижегородка №1

Самая известная уроженка Нижнего Новгорода – Наталья Водянова

Дилетант
История бизнеса, который позволяет не сомневаться в себе История бизнеса, который позволяет не сомневаться в себе

Как Юлия Мальгинова открыла онлайн-магазин нижнего белья «Тушé»

Домашний Очаг
От Алисы в Стране чудес до Мюнхгаузена От Алисы в Стране чудес до Мюнхгаузена

8 совсем не сказочных психических расстройств со сказочными названиями

Лиза
В начале была нота: почему саундтрек так важен и как он преображает фильм В начале была нота: почему саундтрек так важен и как он преображает фильм

В начале была нота: почему саундтрек важен и как он преображает фильм

Esquire
Открыть в приложении