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

Танцы со стрепетом Танцы со стрепетом

Весной стрепет — бесспорный символ ковыльной степи

Наука и жизнь
Индейцы пуэбло невольно увеличили разнообразие растений в Юте Индейцы пуэбло невольно увеличили разнообразие растений в Юте

Американские археологи обнаружили 117 различных таксонов растений на 25 стоянках

N+1
Человек, который придумывает будущее Человек, который придумывает будущее

Компания с российскими корнями разрабатывает уникальные технологии для авто

Популярная механика
Графика урбанизма Графика урбанизма

Квартира, в которой пейзажи за окном — часть интерьерного сценария

Идеи Вашего Дома
Секрет 2000-летней липы… Секрет 2000-летней липы…

Дерево может продолжать жить веками, разрастаясь по кругу

Наука и жизнь
Дорого, богато, смешно: кого радует «уродливая мода» Дорого, богато, смешно: кого радует «уродливая мода»

Что такое «уродливая мода»

Psychologies
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
На Земле найдены изотопы веществ, которые не должны существовать На Земле найдены изотопы веществ, которые не должны существовать

Обнаружение тяжелых элементов в земной коре поднимает интересные вопросы

Популярная механика
Наука и жизнь сто лет назад Наука и жизнь сто лет назад

О литофагии, аэросанях и драгоценных камнях

Наука и жизнь
Оседлые гунны на рубеже нашей эры занялись выращиванием проса и ловом рыбы в Забайкалье Оседлые гунны на рубеже нашей эры занялись выращиванием проса и ловом рыбы в Забайкалье

Изотопный анализ подтвердил многоукладность хозяйства

N+1
Это л....ь Это л....ь

Когда он вышел из дома, изображение сердца на заборе было почти счищено

Playboy
Лучший трофей Лучший трофей

Загородная резиденция для заядлого охотника

SALON-Interior
Реальный демон Максвелла стал в десять раз мощнее Реальный демон Максвелла стал в десять раз мощнее

Мощность и скорость работы информационного двигателя

N+1
Обворожительная Рита Ора: сладкие фото одной из самых популярных британских певиц Обворожительная Рита Ора: сладкие фото одной из самых популярных британских певиц

Рита Ора – популярная британская певица албанского происхождения

Playboy
Нарциссизм, зависимость и другие темные стороны жизни русских писателей Нарциссизм, зависимость и другие темные стороны жизни русских писателей

Если вы не читали биографии русских классиков со времен школы, приготовьтесь

Psychologies
Что делать, если сел аккумулятор: 8 способов Что делать, если сел аккумулятор: 8 способов

Способы справиться с севшим автомобильным аккумулятором

РБК
Побереги ноги! Как правильно выбирать босоножки, чтобы было и удобно, и стильно Побереги ноги! Как правильно выбирать босоножки, чтобы было и удобно, и стильно

Красота требует жертв? Мы не согласны

Cosmopolitan
«Окончательное уничтожение свободы слова»: основатель Nexta Степан Путило — о задержании Романа Протасевича и падении доходов проекта «Окончательное уничтожение свободы слова»: основатель Nexta Степан Путило — о задержании Романа Протасевича и падении доходов проекта

Основатель Nexta — о том, как изменился проект, почему стал меньше зарабатывать

Forbes
Ультразвуковая денервация почечных артерий снизила давление у гипертоников на восемь единиц Ультразвуковая денервация почечных артерий снизила давление у гипертоников на восемь единиц

Ученым удалось добиться снижения систолического давления у больных гипертонией

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

Что будет, если есть только огурцы?

РБК
Размер имеет значение: как выбирать одежду, чтобы полюбить свое отражение Размер имеет значение: как выбирать одежду, чтобы полюбить свое отражение

Самые типичные ошибки девушек в примерочной

Cosmopolitan
Идеальная белая футболка: где искать, как выбирать и с чем носить Идеальная белая футболка: где искать, как выбирать и с чем носить

Та самая идеальная белая футболка — святой Грааль мужского гардероба

Esquire
Влияние потребителей на устойчивое развитие компаний: тактический маркетинг или стратегическое планирование Влияние потребителей на устойчивое развитие компаний: тактический маркетинг или стратегическое планирование

Драйверами устойчивого развития в мире сегодня являются частные компании

Forbes
Саша Головин, Кирилл Емельянов, Паша Бессонов — звезды «Кадетства» 15 лет спустя Саша Головин, Кирилл Емельянов, Паша Бессонов — звезды «Кадетства» 15 лет спустя

Чем занимаются повзрослевшие актеры «Кадетства»?

Cosmopolitan
«Деньги буквально валяются под ногами»: как Lipton сократил затраты, сделав ставку на устойчивое развитие «Деньги буквально валяются под ногами»: как Lipton сократил затраты, сделав ставку на устойчивое развитие

История о том, как компания Lipton сделала ставку на социальную ответственность

Forbes
Запасной выход Запасной выход

Озера – идеальное место отдыха с шезлонгами и красивыми пейзажами

Добрые советы
Как заниматься бизнесом и не вредить природе. Советы рестораторам Как заниматься бизнесом и не вредить природе. Советы рестораторам

Как компаниям внести ощутимый вклад в защиту окружающей среды?

СНОБ
Как развить «мышление изобилия» Как развить «мышление изобилия»

Большинство из нас сами загоняют себя в тесные рамки

Psychologies
Можно ли победить тревогу с помощью восточных практик? Можно ли победить тревогу с помощью восточных практик?

Помогают ли восточные практики в борьбе с тревожностью

Psychologies
Как изменились актеры «Сумерек» спустя 9 лет после завершения киносаги Как изменились актеры «Сумерек» спустя 9 лет после завершения киносаги

Многих героев франшизы «Сумерки» не узнать!

Cosmopolitan
Открыть в приложении