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

Электроны и котики Электроны и котики

Электроны и котики

Наука и жизнь
Водителям напомнили о «летних» штрафах. Можно попасть на 500 тысяч рублей Водителям напомнили о «летних» штрафах. Можно попасть на 500 тысяч рублей

Куда нельзя заезжать на машине и за что штрафует экологическая полиция

РБК
Сельдерей заслуживает хлопот! Сельдерей заслуживает хлопот!

Вы любите сельдерей?

Наука и жизнь
«Вызывают привыкание» и еще семь мифов о вибраторах «Вызывают привыкание» и еще семь мифов о вибраторах

Не вредны ли вибраторы?

Cosmopolitan
Прав ли Галилей? Прав ли Галилей?

Можно ли вращаться по инерции?

Наука и жизнь
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
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Американские криминальные фильмы, основанные на реальных событиях: самые лучшие ленты XXI века Американские криминальные фильмы, основанные на реальных событиях: самые лучшие ленты XXI века

Подборка выдающихся голливудских картин, основанных на реальных преступлениях

Playboy
План спасения План спасения

Если вам кажется, что мир обречен и ничего уже не исправить, вы не одиноки

Вокруг света
«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
То ли волк, то ли собака То ли волк, то ли собака

Откуда появляются волкособаки?

Наука и жизнь
Отрывок из книги Ребекки Хендерсон «Капитализм в огне» Отрывок из книги Ребекки Хендерсон «Капитализм в огне»

Отрывок из книги «Капитализм в огне», где рассматривается опыт KAF и Toyota

Esquire
6 фактов о «Властелине колец», о которых не знают даже толкиенисты 6 фактов о «Властелине колец», о которых не знают даже толкиенисты

То, что вы точно не знали о «Властелине колец»

Maxim
Как сжигание мусора провоцирует болезни Как сжигание мусора провоцирует болезни

О наиболее токсичных веществах, которые вырабатываются при сжигании мусора

СНОБ
На 10 девчонок 12 ребят: как ограничение рождаемости в Китае привело к дефициту женщин На 10 девчонок 12 ребят: как ограничение рождаемости в Китае привело к дефициту женщин

Как в Китае возник гендерный дисбаланс и изменилось положение женщин

Forbes
От провинциалки до звезды красных дорожек: бьюти-эволюция Виктории Бони От провинциалки до звезды красных дорожек: бьюти-эволюция Виктории Бони

Посмотрим, как Виктория изменилась за последние 15 лет!

Cosmopolitan
1+1=3: эффект расширения 1+1=3: эффект расширения

Две объединенные квартиры, оформленные в лофтовой и индийской эстетике

Идеи Вашего Дома
Тверской квест Тверской квест

Компактная двушка, которую превратили в двухуровневый лофт

Идеи Вашего Дома
Безумная история Безумная история

Чтобы разобраться в русском прошлом, без психиатра не обойтись

Дилетант
«Мы победим, пусть и не в этом суде»: женщины-адвокаты — о проблемах в правовой системе и дискриминации «Мы победим, пусть и не в этом суде»: женщины-адвокаты — о проблемах в правовой системе и дискриминации

Женщины-адвокаты — о гендерных стереотипах и несовершенствах судебной системы

Forbes
Играть за экологию: как видеоигры присоединяются к спасению планеты Играть за экологию: как видеоигры присоединяются к спасению планеты

В геймерское сообщество прорываются идеи защиты окружающей среды

Forbes
«А где моя сумка?»: как психотерапевт остановил вора и чему научилась его клиентка «А где моя сумка?»: как психотерапевт остановил вора и чему научилась его клиентка

Важным элементом терапии может стать даже самый неприятный инцидент

Psychologies
10 звезд, которые ненавидят ходить на каблуках 10 звезд, которые ненавидят ходить на каблуках

Звездные модницы, которые не надевают каблуки даже на красную дорожку

Cosmopolitan
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
Полосатая история: откуда взялись дорожные “зебры” Полосатая история: откуда взялись дорожные “зебры”

Задумывались ли вы о том, кто придумал современную дорожную разметку?

Популярная механика
10 самых популярных примет на счастье с точки зрения науки 10 самых популярных примет на счастье с точки зрения науки

Что стоит за непроизвольным желанием загадать желание, когда падает звезда?

Maxim
Личные драмы звезд фильма «В бой идут одни Личные драмы звезд фильма «В бой идут одни

Как сложилась судьба актеров фильма «В бой идут одни "старики"»

Cosmopolitan
«Психотерапевт — это человек вне морали и этики» «Психотерапевт — это человек вне морали и этики»

Психотерапевт Наталья Бехтерева продолжает исследовать душу в 5-м поколении

Собака.ru
10 тюремных лайфхаков, применимых в быту 10 тюремных лайфхаков, применимых в быту

Настоящие олдскульные образцы тюремной смекалки

Maxim
Раскопки туалета XIX века указали на паразитарные инфекции у богатых домовладельцев Раскопки туалета XIX века указали на паразитарные инфекции у богатых домовладельцев

Ленточные черви и власоглавы обнаружены в образцах фекалий туалета XIX века

N+1
Открыть в приложении