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

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
Танец маленьких людей Танец маленьких людей

О новом фильме Александра Миндадзе – «Паркет»

Weekend
Геометрия в стиле да Винчи Геометрия в стиле да Винчи

Преобразование фигур стало главной темой математических исследований да Винчи

Наука и жизнь
Закрученный сюжет Закрученный сюжет

Может ли курортный роман стать счастливым билетом в новую жизнь?

Добрые советы
Электроны и котики Электроны и котики

Электроны и котики

Наука и жизнь
Соки, мороженое, сгущенка и еще пять вещей, которые Микоян внедрил в СССР после поездки в США Соки, мороженое, сгущенка и еще пять вещей, которые Микоян внедрил в СССР после поездки в США

Анастас Микоян сделал советское меню таким, каким мы его знаем сейчас

Maxim
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
9 причин, когда ГИБДД не поставит машину на учет. Список 9 причин, когда ГИБДД не поставит машину на учет. Список

Когда на автомобили могут быть наложены ограничения на регистрационные действия

РБК
Миссия подводного робота Миссия подводного робота

Беспилотник опускается на дно Марианской впадины

Популярная механика
Почему виды живых существ сегодня исчезают быстрее, чем во времена массового вымирания, уничтожившего динозавров Почему виды живых существ сегодня исчезают быстрее, чем во времена массового вымирания, уничтожившего динозавров

Земле могут потребоваться миллионы лет, чтобы оправиться от человечества

Популярная механика
Длиннорогие ватуси Длиннорогие ватуси

От скрещивания египетской породы коров с зебу произошла порода ватуси

Наука и жизнь
Жадина, ревнивец, истеричка: 5 самых сложных мужчин по знаку зодиака Жадина, ревнивец, истеричка: 5 самых сложных мужчин по знаку зодиака

Мужчины каких знаков зодиака самые сложные партнеры для совместной жизни

Cosmopolitan
Женщины с верху. Все о главном объекте твоих фантазий — стюардессах! Женщины с верху. Все о главном объекте твоих фантазий — стюардессах!

Стюардессы являются главным объектом мужских фантазий

Maxim
Камышовки поднялись на шесть километров во время перелета над Сахарой и Средиземным морем Камышовки поднялись на шесть километров во время перелета над Сахарой и Средиземным морем

Дроздовидные камышовки во время миграций дважды в год пересекают Сахару

N+1
Отцы и деды: знаменитости, ставшие папами в пожилом и даже преклонном возрасте Отцы и деды: знаменитости, ставшие папами в пожилом и даже преклонном возрасте

Александр Градский, Иван Краско и другие стали отцами в весьма зрелом возрасте

Cosmopolitan
Консервный нож для немцев: 7 фактов о самой страшной советской самоходке Консервный нож для немцев: 7 фактов о самой страшной советской самоходке

Боевой путь ИСУ-152 — от Берлина до Чернобыля

Maxim
Мы сделали это за тебя: 6 самых главных неловких вопросов урологу Мы сделали это за тебя: 6 самых главных неловких вопросов урологу

Если вдруг тебе неудобно задавать вопросы интимного характера врачу

Playboy
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
Хиромантия для начинающих. Как предсказать болезни по линиям и знакам на ладонях Хиромантия для начинающих. Как предсказать болезни по линиям и знакам на ладонях

Как с помощью линий на ладонях предугадать проблемы со здоровьем?

Cosmopolitan
Как работают интернет-мошенники и как бороться с цифровыми угрозами Как работают интернет-мошенники и как бороться с цифровыми угрозами

Как обезопасить себя в интернете?

Популярная механика
Устройство советского атомного ядра Устройство советского атомного ядра

Дмитрий Бутрин о фильме «Сахаров. Две жизни»

Weekend
Красотки с рождения? Как выглядели знаменитые модели в детстве Красотки с рождения? Как выглядели знаменитые модели в детстве

Были ли известные на весь мир модели такими очаровательными в юном возрасте?

Cosmopolitan
4 важные книги для тех, кто хочет бросить себе вызов 4 важные книги для тех, кто хочет бросить себе вызов

Книги, которые вдохновят вас на реализацию своей мечты

Популярная механика
Завоевание умов: почему так важны институциональные проекты российских меценатов Завоевание умов: почему так важны институциональные проекты российских меценатов

Недоверие россиян к бизнесу мешает развитию страны. Как исправить эту ситуацию

Forbes
Игра с драконами Игра с драконами

Хотя маджонг не имеет международного признания, он известен во всем мире

Вокруг света
Как изменились звезды сериала Как изменились звезды сериала

Как изменилась жизнь звезд проекта "Реальные пацаны"

Cosmopolitan
Как устроена система Как устроена система

«Железный купол» может быть подавлен слишком большим количество целей

Популярная механика
Лучшие цитаты о соблазнении и сексе самых знаменитых красавиц всех времен Лучшие цитаты о соблазнении и сексе самых знаменитых красавиц всех времен

Ты бы онемел от смущения, если бы тебе довелось заговорить с одной из них!

Maxim
Ошибка врачей, тайная свадьба и развод: личные драмы Агаты Муцениеце Ошибка врачей, тайная свадьба и развод: личные драмы Агаты Муцениеце

В детстве Агата Муцениеце и не мечтала о такой популярности

Cosmopolitan
В комплексе галло-римских храмов нашли многочисленные ритуальные дары В комплексе галло-римских храмов нашли многочисленные ритуальные дары

Археологи обнаружили во Франции хорошо сохранившиеся ритуальные сосуды

N+1
Открыть в приложении