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

Драма 1921 года Драма 1921 года

Страшные подробности царь-голода в Советской России 1921 года

Дилетант
8 «секретных» функций WhatsApp, которыми пора начать пользоваться 8 «секретных» функций WhatsApp, которыми пора начать пользоваться

Используй мессенджер по максимуму

Playboy
Долгая счастливая жизнь Долгая счастливая жизнь

Старение – это естественно, но не нормально

Популярная механика
Бьюти-эволюция Алсу: как менялся образ звезды на протяжении 20 лет Бьюти-эволюция Алсу: как менялся образ звезды на протяжении 20 лет

Алсу - одна их самых красивых и популярных певиц в России

Cosmopolitan
Прав ли Галилей? Прав ли Галилей?

Можно ли вращаться по инерции?

Наука и жизнь
Исследование: как наш мозг воспринимает инструменты и контролирует руки Исследование: как наш мозг воспринимает инструменты и контролирует руки

Понимание того, как мозг контролирует действия, важно для разработки протезов

Популярная механика
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
5 позорных ошибок при обращении с женщиной 5 позорных ошибок при обращении с женщиной

Правила этикета, которые помогут тебе открыть двери, ведущие в женскую душу

Maxim
Эра человечности Эра человечности

Пандемия и удаленка меняют отношения между сотрудниками

Forbes
Пикантные фото Ходченковой, Лебедевой и других звезд фильма «Любовь без размера» Пикантные фото Ходченковой, Лебедевой и других звезд фильма «Любовь без размера»

Горячие фото звезд фильма «Любовь без размера»

Cosmopolitan
Роботы отмечают столетие Роботы отмечают столетие

Слово «робот» придумал чешский художник и литератор Йосеф Чапек

Наука и жизнь
Почему ваш смартфон заряжается так долго: 8 самых популярных причин Почему ваш смартфон заряжается так долго: 8 самых популярных причин

Причин, которые могут повлиять на длительность зарядки смартфона

CHIP
Не только кашель: 7 признаков рака легкого, которые нельзя игнорировать Не только кашель: 7 признаков рака легкого, которые нельзя игнорировать

На что нужно обратить внимание, чтобы не пропустить и не запустить рак легких

Cosmopolitan
Анорексия: признаки, причины, перспективы лечения Анорексия: признаки, причины, перспективы лечения

Часто строгие диеты и переизбыток спорта приводят к анорексии

РБК
Как в воду глядеть Как в воду глядеть

10 техник работы с будущим от известного трендвотчера

РБК
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
Когда весна не в радость: как победить аллергический ринит Когда весна не в радость: как победить аллергический ринит

Как отличить аллергию от простуды и как бороться с аллергическим ринитом

РБК
Одним движением глаз Одним движением глаз

Простая, но эффективная техника, которая поможет отпустить прошлое

Лиза
Идеальная шашка: как выбирать Идеальная шашка: как выбирать

Кавалерия получила идеальное оружие тогда, когда оно уже было не нужно

Популярная механика
Жертвы пластических хирургов: российские звезды, которые неудачно увеличили губы Жертвы пластических хирургов: российские звезды, которые неудачно увеличили губы

Артистки, которые пытались усовершенствовать внешность

Cosmopolitan
Изменяют цвет глаз и лишают зрения: чем опасны средства для роста ресниц Изменяют цвет глаз и лишают зрения: чем опасны средства для роста ресниц

Все хотят иметь длинные, пушистые и темные ресницы

Cosmopolitan
10 лучших советских мультфильмов про кошек и собак 10 лучших советских мультфильмов про кошек и собак

Главные советские мультфильмы о кошках и собаках: рейтинг

Maxim
Спроси у робота: эра развлечений в области искусственного интеллекта Спроси у робота: эра развлечений в области искусственного интеллекта

Следующей волной внедрения разговорного интеллекта будет сфера развлечения

Популярная механика
Как связаны йога и смех Как связаны йога и смех

В чем заключается философия йоги смеха

СНОБ
7 самых распространенных заблуждений о человеческом теле 7 самых распространенных заблуждений о человеческом теле

Мы собрали факты о нашей физиологии, которые на поверку оказались чепухой

Maxim
TikTok против Трампа: как соцсеть для подростков угодила в политический скандал, который мог стоить ей части бизнеса TikTok против Трампа: как соцсеть для подростков угодила в политический скандал, который мог стоить ей части бизнеса

Как TikTok победил в войне с Дональном Трампом, переживая корпоративную драму?

Forbes
Вспомогательные элементы Вспомогательные элементы

Какие витамины и макроэлементы нужны беременной женщине

Здоровье
На повышенных тонах: история самого одинокого кита на свете На повышенных тонах: история самого одинокого кита на свете

В северной части Тихого океана уже 20 лет плавает одинокий кит

Esquire
Ваше тело в разном возрасте Ваше тело в разном возрасте

Как питаться, как тренироваться и как ухаживать за кожей, чтобы быть в форме?

Домашний Очаг
Советы от противного. 10 совершенно бесчестных способов соблазнения Советы от противного. 10 совершенно бесчестных способов соблазнения

10 бесчестных способов соблазнения

Maxim
Открыть в приложении