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
Николаевская Россия Николаевская Россия

Интервью с великим и прекрасным Николаем Усковым

GQ
Сельдерей заслуживает хлопот! Сельдерей заслуживает хлопот!

Вы любите сельдерей?

Наука и жизнь
Снова в тренде? Дафф и еще 7 звезд, которые родили в ванной (плюс мнение врача) Снова в тренде? Дафф и еще 7 звезд, которые родили в ванной (плюс мнение врача)

Почему женщины рожают дома и кто из селебрити предпочел естественные роды?

Cosmopolitan
Любители подземной тишины Любители подземной тишины

Что может быть страннее белых растений!

Наука и жизнь
Новые стандарты и грандиозные планы: как добиться обеспечения 100% россиян качественной питьевой водой Новые стандарты и грандиозные планы: как добиться обеспечения 100% россиян качественной питьевой водой

Какой должна быть качественная питьевая вода?

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

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Гренландию назвали главным природным источником ртути в арктических водах Гренландию назвали главным природным источником ртути в арктических водах

Теплые ледниковые воды уносят ртуть из подледниковых пород Гренландии

N+1
Английское убийство Английское убийство

Смерть инакомыслящего: по заказу монарха или по недоразумению?

Вокруг света
Летопись на коже: зачем древние люди наносили на тело татуировки и что они означают? Летопись на коже: зачем древние люди наносили на тело татуировки и что они означают?

Желание раскрашивать тело – культурный феномен всех народов и цивилизаций

Naked Science
Скульптор Пьетро Кюфферле в Петербурге Скульптор Пьетро Кюфферле в Петербурге

Какие творения скульптора Пьетро Кюфферле остались в Петербурге

Наука и жизнь
10 мелочей, которые улучшают качество жизни 10 мелочей, которые улучшают качество жизни

Изменения начинаются с мелочей, с маленьких шагов

Psychologies
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
Эпоха Возрождения Эпоха Возрождения

Исторический тосканский особняк

SALON-Interior
Как расшифровывать буквенные индексы в названиях автомобилей Как расшифровывать буквенные индексы в названиях автомобилей

GTi, HDi, X-Line — вот это вот все, и что оно означает

Maxim
«Друзья. Воссоединение»: каким получился специальный выпуск ситкома «Друзья. Воссоединение»: каким получился специальный выпуск ситкома

Рассказываем, как прошло воссоединение «Друзей»

РБК
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
Инди-бренд Инди-бренд

Инди Гогохия рассказала, как на пути к успеху ей пришлось пережить предательство

Harper's Bazaar
Новые маршруты. Норильское лето Новые маршруты. Норильское лето

Норильск — одно из неожиданных и модных направлений летнего туризма

СНОБ
Секреты похудения многодетных мам: Оксаны Самойловой, Марии Погребняк и других Секреты похудения многодетных мам: Оксаны Самойловой, Марии Погребняк и других

Как популярные мамы успевают не только заботиться о самых близких, но и о себе

Cosmopolitan
Мама Наоми: как эксцентричная «Черная пантера» остепенилась к 50 годам Мама Наоми: как эксцентричная «Черная пантера» остепенилась к 50 годам

Путь «Черной пантеры» Наоми Кэмпбелл к кардинальным переменам

Cosmopolitan
Не пей из них: банки из-под газировки могут быть опаснее газировки Не пей из них: банки из-под газировки могут быть опаснее газировки

Безопасна ли упаковка в виде алюминиевых банок с точки зрения здоровья?

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

Cпециалисты рассуждают о ближайшем будущем человечества

Esquire
Тасманийские дьяволы начали размножаться после возвращения на материковую Австралию Тасманийские дьяволы начали размножаться после возвращения на материковую Австралию

Впервые за три тысячи лет тасманийские дьяволы начали размножаться в Австралии

N+1
16 бесчестных трюков продавцов, работодателей, производителей и других хитрых людей 16 бесчестных трюков продавцов, работодателей, производителей и других хитрых людей

Как большие и маленькие компании кидают своих клиентов и сотрудников

Maxim
В чем правда, Эбергард? «Немцы» - сериал, который ты должна посмотреть В чем правда, Эбергард? «Немцы» - сериал, который ты должна посмотреть

Сериал «Немцы» по мотивам романа получился самостоятельным произведением

Cosmopolitan
Таруса, или куда поехать на выходные Таруса, или куда поехать на выходные

Таруса: так близко и так далеко одновременно

Seasons of life
Почему спам называется спамом: неожиданная история популярного термина Почему спам называется спамом: неожиданная история популярного термина

Как название консервов превратилось в обозначение массово рассылки сообщений?

CHIP
Зря ругаете наше кино! 10 отличных российских фильмов последних лет Зря ругаете наше кино! 10 отличных российских фильмов последних лет

Фильмы российского кинематографа, которые стоят потраченного времени

Cosmopolitan
Романтик с большой дороги: как дизайнер из Томска зарабатывает на фотографиях несуществующих людей Романтик с большой дороги: как дизайнер из Томска зарабатывает на фотографиях несуществующих людей

Зачем россиянин, живущий в Аргентине, охотится за лицами людей по всему миру?

Forbes
Открыть в приложении