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

106 минут новой эры 106 минут новой эры

Какое значение орбитальный рейс Юрия Гагарина имел для мировой науки

Наука и жизнь
Давай бояться вместе: 5 главных женских страхов Давай бояться вместе: 5 главных женских страхов

Женщины имеют право быть трусливыми. Вот как они этим правом распоряжаются

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

История раскрытия, изложенная в двух частях с предисловием

Наука и жизнь
Известные женщины, которые не сдались после травм, катастроф и нападений Известные женщины, которые не сдались после травм, катастроф и нападений

Пожар, ампутация, заболевания - такие испытания легли на плечи наших героинь

Cosmopolitan
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
Обед во дворце: 7 продуктов, которые Елизавета II запретила есть своей семье Обед во дворце: 7 продуктов, которые Елизавета II запретила есть своей семье

Принадлежность к королевской семье – это масса ограничений

Cosmopolitan
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Lean — философия бережливого производства в стартапе Lean — философия бережливого производства в стартапе

Как метод Lean минимизирует потери финансов, времени и ресурсов

Популярная механика
За кулисами пуска За кулисами пуска

Старт космической ракеты – зрелище без преувеличения грандиозное

Популярная механика
Эмигрантские истории в романе Нуне Барсегян «Кем считать плывущих». Публикуем фрагмент Эмигрантские истории в романе Нуне Барсегян «Кем считать плывущих». Публикуем фрагмент

Глава из романа А. Нуне «Кем считать плывущих» о проблемах западного общества

Esquire
Сера: из отходов в материал будущего Сера: из отходов в материал будущего

В мире ежегодно производится почти 80 миллионов тонн серы

Наука и жизнь
Развод во время беременности Развод во время беременности

По статистике распадается примерно половина всех браков

9 месяцев
5 книг от мировых психологов: как исправить ошибки и разобраться в чувствах 5 книг от мировых психологов: как исправить ошибки и разобраться в чувствах

Подборка книг, которые помогут разобраться в себе без посещения специалиста

Популярная механика
В поисках духа молодости В поисках духа молодости

Почему люди старятся по-разному

Здоровье
Топ-12 востребованных IT-профессий Топ-12 востребованных IT-профессий

Программист, тестировщик, бизнес-аналитик и другие профессии в IT-сфере

Популярная механика
Вернись, я все прощу! Вернись, я все прощу!

Стоит ли пытаться вернуть мужа в семью, даже если ты его все еще любишь

Лиза
Витамин К: норма, дефицит, избыток, советы эксперта Витамин К: норма, дефицит, избыток, советы эксперта

Почему витамин К необходим для нормальной работы организма?

РБК
Deepfake: когда для создания видеоролика достаточно одной фотографии Deepfake: когда для создания видеоролика достаточно одной фотографии

Как с помощью новых технологий создается видео без съемочного процесса

Популярная механика
Гендерный сдвиг. Как равноправие полов изменит портрет сексуального преступника Гендерный сдвиг. Как равноправие полов изменит портрет сексуального преступника

К чему приводят гендерные стереотипы, когда речь идет о харассменте

СНОБ
Как дополнительный палец на руке изменяет наш мозг: будущее аугментаций Как дополнительный палец на руке изменяет наш мозг: будущее аугментаций

Ученые провели эксперимент по расширению возможностей человеческого тела

Популярная механика
Оптогенетика помогла частично восстановить зрение мужчине после 40 лет слепоты Оптогенетика помогла частично восстановить зрение мужчине после 40 лет слепоты

Ученые разрабатывают терапию для лечения пигментного ретинита

N+1
Дом у озера Дом у озера

Загородный коттедж с уютным и лаконичным интерьером в духе американского ар–деко

SALON-Interior
Она и он Она и он

В бунинском «Деле корнета Елагина» практически ничего не придумано

Дилетант
Скрывала это даже от семьи: история женщины, первой в мире увеличившей грудь Скрывала это даже от семьи: история женщины, первой в мире увеличившей грудь

Первой женщиной с искусственным бюстом стала многодетная мама

Cosmopolitan
Мои глаза! Как пилинги и «уколы красоты» могут привести даже к потере зрения Мои глаза! Как пилинги и «уколы красоты» могут привести даже к потере зрения

Безопасная косметология: как избежать осложнений после процедур

Cosmopolitan
Разогнать облака над Америкой: как двое россиян захватывают рынок экспресс-доставки продуктов в Нью-Йорке Разогнать облака над Америкой: как двое россиян захватывают рынок экспресс-доставки продуктов в Нью-Йорке

Как двое россиян заметили пустующую нишу на американском рынке

Forbes
Вы свободны! Вы свободны!

От чего зависит независимость российских фрилансеров и их будущее

РБК
Как наладить отношения с ребенком? Используйте «правило одного дня» Как наладить отношения с ребенком? Используйте «правило одного дня»

Как один день, проведенный вместе с ребенком, может повлиять на отношения?

Psychologies
Кто есть кто: 10 лучших парикмахеров Петербурга Кто есть кто: 10 лучших парикмахеров Петербурга

Кто стрижет солистку Little Big Соню Таюрскую: лучшие парикмахеры Петербурга

Собака.ru
«Не переживай, родишь другого»: с чем сталкиваются женщины, потерявшие ребенка «Не переживай, родишь другого»: с чем сталкиваются женщины, потерявшие ребенка

Как пережить перинатальную потерю и поддержать женщину, потерявшую ребенка

Cosmopolitan
Открыть в приложении