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

Микроскопические свидетельства глобальных катастроф Микроскопические свидетельства глобальных катастроф

Кандидат физико-математических наук о том, как метеориты влияют на нашу судьбу

Наука и жизнь
Мишель Родригес о новом «Форсаже», женских боевиках и Грузии Мишель Родригес о новом «Форсаже», женских боевиках и Грузии

В честь выхода на экраны девятого «Форсажа», Cosmo поговорил с Мишель Родригес

Cosmopolitan
Великое нашествие Великое нашествие

Вторжение монголов обратило русских государей в деспотов ордынского типа

Дилетант
Реально ли предотвратить шутинг в школах и поможет ли ужесточение закона об оружии? Реально ли предотвратить шутинг в школах и поможет ли ужесточение закона об оружии?

Нужны ли новые запреты в интернете и более строгие законы об оружии?

Esquire
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
Будет вам: каким будет ближайшее будущее человечества? Будет вам: каким будет ближайшее будущее человечества?

Cпециалисты рассуждают о ближайшем будущем человечества

Esquire
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Новый TikTok-тренд: жидкий хлорофилл для очищения кожи — мнение экспертов Новый TikTok-тренд: жидкий хлорофилл для очищения кожи — мнение экспертов

Поможет ли вода с хлорофиллом, чтобы избавиться от высыпаний и розацеи?

Cosmopolitan
Часы марсианского тракториста Часы марсианского тракториста

Когда и зачем человеку может понадобиться новая система измерения времени?

Вокруг света
Невоспроизводимость научных статей только увеличила их цитируемость Невоспроизводимость научных статей только увеличила их цитируемость

Невоспроизводимую статью цитируют на 153 раза больше, чем воспроизводимую

N+1
Винтокрыл против конвертоплана Винтокрыл против конвертоплана

«Вертолет» не самый подходящий термин для описания этих воздушных монстров

Популярная механика
Новый вид мозазавров указал на расцвет этой группы перед вымиранием Новый вид мозазавров указал на расцвет этой группы перед вымиранием

Окаменелости нового вида обнаружены в меловом местонахождении в Марокко

N+1
«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
Преступление без наказания: 10 фильмов о нераскрытых убийствах Преступление без наказания: 10 фильмов о нераскрытых убийствах

Нестандартный детективы, в которых убийца так и не получил наказания

Cosmopolitan
Почему я больше не изменяю Почему я больше не изменяю

История женщины, которая отказалась от измен

Psychologies
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
Как правильно загорать в солярии Как правильно загорать в солярии

Сколько минут загорать в солярии и как делать это правильно

Cosmopolitan
Устройство советского атомного ядра Устройство советского атомного ядра

Дмитрий Бутрин о фильме «Сахаров. Две жизни»

Weekend
«У тебя просто ПМС»: как мифы и стереотипы о гормонах влияют на нашу жизнь «У тебя просто ПМС»: как мифы и стереотипы о гормонах влияют на нашу жизнь

Эксперт: как гормоны в действительности влияют на состояние человека

Psychologies
Улыбка на миллион: сколько заплатили звезды за свои идеальные зубы Улыбка на миллион: сколько заплатили звезды за свои идеальные зубы

Что делать тем, кого природа «наградила» не самыми привлекательными зубами?

Cosmopolitan
Как работают гаджеты-геометки: разбираемся на примере Galaxy SmartTag Как работают гаджеты-геометки: разбираемся на примере Galaxy SmartTag

Для чего нужны Bluetooth-брелки

CHIP
Лучшие офлайн-игры на Андроид: играем без интернета Лучшие офлайн-игры на Андроид: играем без интернета

Обзор лучших игр для смартфона, для игры в которые не нужен интернет

CHIP
«Да» это «да» или «нет»? Как понять, когда женщина согласна «Да» это «да» или «нет»? Как понять, когда женщина согласна

Как определить, согласна ли женщина на секс

СНОБ
От лука до розмарина: 10 полезных и вкусных трав От лука до розмарина: 10 полезных и вкусных трав

На какие ароматные травы обратить внимание с точки зрения пользы для здоровья

РБК
Как я переехала в Нью-Йорк и почему вернулась обратно Как я переехала в Нью-Йорк и почему вернулась обратно

Почему наша героиня оставила «американскую мечту» и вернулась в Россию

Psychologies
Хакеры на заказ с техподдержкой: чем известна группировка DarkSide, которая вызвала кризис топлива в США Хакеры на заказ с техподдержкой: чем известна группировка DarkSide, которая вызвала кризис топлива в США

DarkSide стала одной из крупнейших и авторитетных хакерских организаций в мире

VC.RU
Осознанные сновидения: как научиться управлять своими снами и зачем это надо Осознанные сновидения: как научиться управлять своими снами и зачем это надо

Думаешь, что осознанные сновидения – это понятие из альтернативной науки?

Cosmopolitan
«Царь-батюшка»: почему мы относимся к властям как к родителям «Царь-батюшка»: почему мы относимся к властям как к родителям

Вы часто говорите, что в ваших проблемах виноваты власти?

Psychologies
Почему незнакомые мужчины называют меня «зайкой» и «киской»? Почему незнакомые мужчины называют меня «зайкой» и «киской»?

Почему мужчины легко позволяют себе переходить «ты»?

Psychologies
5 причин, почему лучше тратить деньги на новый опыт, а не на вещи 5 причин, почему лучше тратить деньги на новый опыт, а не на вещи

Можно ли купить себе счастье?

Playboy
Открыть в приложении