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

Коперникианская революция: 9 мифов об отце современной астрономии Коперникианская революция: 9 мифов об отце современной астрономии

Что мы знаем о Николае Копернике?

Вокруг света
Список надежды Список надежды

Forbes представляет третий российский рейтинг молодых и перспективных до 30 лет

Forbes
Секрет 2000-летней липы… Секрет 2000-летней липы…

Дерево может продолжать жить веками, разрастаясь по кругу

Наука и жизнь
Сроки годности: от доставки до ритейла Сроки годности: от доставки до ритейла

В ресторанном бизнесе ключевую роль играет срок годности продуктов

Bones
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
12 табу: что допускается в России, но под запретом в США 12 табу: что допускается в России, но под запретом в США

В каждой стране свои нормы поведения

Лиза
Иллюзия успеха Иллюзия успеха

Четыре истории о талантливых мастерах пускать пыль в глаза

Популярная механика
Дочь Деми Мур и Брюса Уиллиса рассказала о своем психическом расстройстве Дочь Деми Мур и Брюса Уиллиса рассказала о своем психическом расстройстве

Непринятие своего тела — не редкость в современном мире

Psychologies
Почему кровь красная Почему кровь красная

Какого цвета бывает кровь?

Наука и жизнь
Не моют руки и бросают сумку где попало: шокирующие привычки француженок Не моют руки и бросают сумку где попало: шокирующие привычки француженок

Блогер – о том, как живут во Франции и чему стоит учиться у французов

Cosmopolitan
Новое чувство астрофизики Новое чувство астрофизики

Миссия LISA станет самым большим научным инструментом в истории человечества

Популярная механика
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
Тогда и сейчас: как выглядели в юности популярные российские актрисы 40+ Тогда и сейчас: как выглядели в юности популярные российские актрисы 40+

Как преобразились звездных красавицы в зрелом возрасте

Cosmopolitan
14 нелепейших женских мифов о мужчинах 14 нелепейших женских мифов о мужчинах

Женщины не так уж много знают про мужчин. Куда больше они придумывают!

Maxim
Личные драмы Любови Успенской: аборт, разлука с дочерью и подлый удар от мужа Личные драмы Любови Успенской: аборт, разлука с дочерью и подлый удар от мужа

Королева шансона Любовь Успенская пережила много трудностей

Cosmopolitan
Анастасия Макеева: «Я тоже хочу быть счастливой!» Анастасия Макеева: «Я тоже хочу быть счастливой!»

Интервью с актрисой Анастасией Макеевой

Здоровье
Была танцовщицей, стала сектанткой: как сложилась судьба знаменитой Гюльчатай Была танцовщицей, стала сектанткой: как сложилась судьба знаменитой Гюльчатай

Вся страна полюбила младшую жену Абдуллы, но юная актриса перестала сниматься

Cosmopolitan
4 научные причины улыбаться чаще 4 научные причины улыбаться чаще

Причины улыбаться чаще и тренинг для тех, кто не слишком любит улыбку

Psychologies
Безумная история Безумная история

Чтобы разобраться в русском прошлом, без психиатра не обойтись

Дилетант
Можно все! 25 доказательств того, что после 30 жизнь становится только лучше Можно все! 25 доказательств того, что после 30 жизнь становится только лучше

Кажется, что после 30 лет все меняется и... не в лучшую сторону, но это не так!

Cosmopolitan
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
Форма и функция Форма и функция

Загородный дом в Подмосковье, отличающийся сложными и выразительными формами

SALON-Interior
Не хуже классики: 5 отличных российских фильмов о войне Не хуже классики: 5 отличных российских фильмов о войне

Российские картины о войне, которые ничем не уступают советской классике

Cosmopolitan
Даосская «суперсила» Дэ: создаем гармонию внутри и снаружи Даосская «суперсила» Дэ: создаем гармонию внутри и снаружи

Какие практики помогают приблизиться к состоянию гармонии

Psychologies
Я помню Я помню

У каждой семьи свои истории и «знаки войны». Мы тоже решили поделиться своими

Seasons of life
Вот это закалка! Вот это закалка!

Рассказываем, как правильно закаливать себя и ребенка

Добрые советы
Ядерный эксперимент из Ярославля: как группа Cream Soda переизобрела российскую поп-музыку и попала в список Forbes Ядерный эксперимент из Ярославля: как группа Cream Soda переизобрела российскую поп-музыку и попала в список Forbes

Как Cream Soda прошла путь от андеграунда до яркого поп-коллективова России?

Forbes
На пленэре На пленэре

Дом, вдохновленный творчеством французских модельеров и американских декораторов

AD
Гражданин поэт Гражданин поэт

Прочитав стихи на инаугурации Байдена, Аманда Горман стала звездой в мире поэзии

Vogue
Юлия Энхель: «Каждый день мы вдохновляем друг друга на большее» Юлия Энхель: «Каждый день мы вдохновляем друг друга на большее»

Интервью с Юлией Энхель, основательницей компании Enhel Group

Forbes
Открыть в приложении