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

100 самых сексуальных женщин страны 100 самых сексуальных женщин страны

100 самых сексуальных женщин страны

Maxim
«Дежурного я расцеловал, а больше никого нет» «Дежурного я расцеловал, а больше никого нет»

Как советские люди узнавали, что закончилась война

Weekend
Секрет 2000-летней липы… Секрет 2000-летней липы…

Дерево может продолжать жить веками, разрастаясь по кругу

Наука и жизнь
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
9 мифов об Альберте Эйнштейне 9 мифов об Альберте Эйнштейне

Правда и мифы о создателе теории относительности

Вокруг света
Вышла из тени: почему Мелинда Гейтс — не просто «жена основателя Microsoft» Вышла из тени: почему Мелинда Гейтс — не просто «жена основателя Microsoft»

Как Мелинда Гейтс стала одной из самых активных защитниц прав женщин

Forbes
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Ярмарка на Стрелке Ярмарка на Стрелке

В короткий срок Нижегородская ярмарка превратилась в ведущую торговую площадку

Дилетант
Такси на конной тяге Такси на конной тяге

История городского транспорта России XIX-XX века

Дилетант
Кто такие интимофобы или Почему ты до сих пор не женат Кто такие интимофобы или Почему ты до сих пор не женат

Мы научим тебя оправдываться перед родителями, выклянчивающими у тебя внуков

Maxim
Чем грозит слабеющий гольфстрим? Чем грозит слабеющий гольфстрим?

Новые данные, уточняющие поведение Гольфстрима

Наука и жизнь
Вот такие пироги: какую выпечку готовили в разных губерниях Вот такие пироги: какую выпечку готовили в разных губерниях

Знакомьтесь с историей русской выпечки и готовьте традиционные блюда

Культура.РФ
5 черт по-настоящему любящих людей 5 черт по-настоящему любящих людей

Кажется, что любящий человек — это безгрешный альтруист, так ли это?

Psychologies
Куда поступать после школы? Cоветы коуча Куда поступать после школы? Cоветы коуча

Как помочь детям понять себя и сделать его осмысленно?

Psychologies
Тайные дети и крепкие браки: как сложилась личная жизнь звезд сериала «Триггер» Тайные дети и крепкие браки: как сложилась личная жизнь звезд сериала «Триггер»

Как сложилась личная жизнь артистов из сериала «Триггер»

Cosmopolitan
Несказочный принц Несказочный принц

Высокий, в элегантном костюме — принц Филипп всегда был рядом с супругой

Караван историй
Главный по теплице. Интервью во время карантина Главный по теплице. Интервью во время карантина

Родриго де ла Калле — человек, который придумал термин «гастроботаника»

Bones
От зависимости к свободе: как развивается наша личность От зависимости к свободе: как развивается наша личность

Рождаемся мы личностью или становимся?

Psychologies
Кто старое помянет Кто старое помянет

Архитектор построил новый дом на месте старого и отделал его столетними досками

AD
Вспомнить все: современная дача в усадебном стиле Вспомнить все: современная дача в усадебном стиле

Дореволюционная дача, построенная всего тринадцать лет назад в 30 км от Москвы

Seasons of life
Цифровая информация: как много мы ее создаем и где она хранится Цифровая информация: как много мы ее создаем и где она хранится

Современные варианты хранения информации

Популярная механика
Кто такие кантонисты? Кто такие кантонисты?

Русское сословие, обеспечивающее кадрами армию

Культура.РФ
Александр Збруев: Александр Збруев:

Александр Збруев знает, наверное, что такое счастье

Караван историй
«Много обещаний, мало результата»: почему беспилотники не стали повсеместным транспортом, как обещали разработчики «Много обещаний, мало результата»: почему беспилотники не стали повсеместным транспортом, как обещали разработчики

Времени и денег на создание безопасных машин нужно еще много

VC.RU
Поколение Doom'еров: правда ли видеоигры влияют на массовые расстрелы в школах? Поколение Doom'еров: правда ли видеоигры влияют на массовые расстрелы в школах?

Связаны ли экшен-шутеры с массовыми убийствами

Esquire
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
Ушел из жизни основатель «сурового стиля»: знаковые работы Таира Салахова Ушел из жизни основатель «сурового стиля»: знаковые работы Таира Салахова

Каким запомнится Таир Салахов?

Forbes
Прощальный гудок для старой экономики: зачем «Яндексу» банк Прощальный гудок для старой экономики: зачем «Яндексу» банк

Зачем «Яндексу» банк и что он получит с покупкой «Акрополя»

Forbes
17 удивительных фактов о джинсах в их день рождения 17 удивительных фактов о джинсах в их день рождения

Подборка интересных фактов о самой классной в мире одежде

Maxim
Питание солнцем и саентология: секты и учения, с которыми связаны звезды Питание солнцем и саентология: секты и учения, с которыми связаны звезды

Знаменитости, связавшиеся с сектами и духовными учениями

Cosmopolitan
Открыть в приложении