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

Число круче, чем π Число круче, чем π

На сегодняшний день нет области знаний, где бы число е не использовалось

Наука и жизнь
«В метро я с мужчинами на равных»: история женщины-машиниста «В метро я с мужчинами на равных»: история женщины-машиниста

Машинистка метро о том, как она выбрала эту необычную профессию

Psychologies
Драма 1921 года Драма 1921 года

Страшные подробности царь-голода в Советской России 1921 года

Дилетант
Уличный харассмент: о чем свистим? Уличный харассмент: о чем свистим?

Лето, жара, короткие юбки... И бесцеремонное поведение некоторых мужчин

Psychologies
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
Больно мне, больно Больно мне, больно

Взрослые и самостоятельные, мы все равно остро переживаем потерю отношений

Psychologies
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
«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
Английское убийство Английское убийство

Смерть инакомыслящего: по заказу монарха или по недоразумению?

Вокруг света
Из официанток в жены звезд: Из официанток в жены звезд:

Встретить богатого и знаменитого можно, даже если ты работаешь официанткой

Cosmopolitan
Юрий Кузнецов Юрий Кузнецов

Юрий Кузнецов глазами Дмитрия Быкова

Дилетант
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
«Если у вас нет проблем, не волнуйтесь, они скоро появятся». Уроки кризис-менеджмента от Ицхака Адизеса «Если у вас нет проблем, не волнуйтесь, они скоро появятся». Уроки кризис-менеджмента от Ицхака Адизеса

Как в условиях высокой турбулентности выжить и стать сильнее?

Inc.
Жванецкий, Ерофеев и Петров-Водкин. 20 аудиокниг для дачников, путешественников и тех, кто на майские останется дома Жванецкий, Ерофеев и Петров-Водкин. 20 аудиокниг для дачников, путешественников и тех, кто на майские останется дома

Аудиокниги для путешественников, домоседов и тех, кому нравится работать

СНОБ
Биткоин – все еще валюта будущего? Биткоин – все еще валюта будущего?

Стоит ли доверять биткоину, и что стоит за этой валютой?

Популярная механика
Фантастические фотографии Юпитера в трех диапазонах световых волн Фантастические фотографии Юпитера в трех диапазонах световых волн

NOIRLab опубликовала потрясающие фотографии планеты-гиганта

Популярная механика
Высокомерие и любовь к сплетням: самая раздражающая черта каждого знака зодиака Высокомерие и любовь к сплетням: самая раздражающая черта каждого знака зодиака

Чем ты больше всего бесишь других людей?

Cosmopolitan
6 ошибок, которые не совершают финансово грамотные люди 6 ошибок, которые не совершают финансово грамотные люди

Необдуманные шаги, которые не в правилах финансово грамотных людей?

Psychologies
30 до 30. Финансы и инвестиции 30 до 30. Финансы и инвестиции

Список Forbes молодых и перспективных россиян. Финансы и инвестиции

Forbes
«Русские рукавицы» в регистрах Зунда «Русские рукавицы» в регистрах Зунда

Зундские таможенные регистры

Наука и жизнь
Клетки Фарадея: как бизнес использует технологию защиты от электромагнитных излучений Клетки Фарадея: как бизнес использует технологию защиты от электромагнитных излучений

Самые распространенные виды применения клетки Фарадея

Популярная механика
Чувственные красавицы! Пикантные фото актрис сериала «Полицейский с Рублевки» Чувственные красавицы! Пикантные фото актрис сериала «Полицейский с Рублевки»

Актрисы сериала «Полицейский с Рублевки» любят делиться пикантными фотографиями

Cosmopolitan
«Королевство дочерей»: как устроен настоящий матриархат «Королевство дочерей»: как устроен настоящий матриархат

Как выглядит жизненный уклад матриархального племени

Cosmopolitan
От «Бешеных псов» до «Вдов»: топ-11 улетных фильмов про ограбления от Playboy От «Бешеных псов» до «Вдов»: топ-11 улетных фильмов про ограбления от Playboy

Взрывоопасная подборка фильмов про преступников, замысливших дерзкие ограбления

Playboy
Красотки в бикини: пикантные фото дочерей Веры Брежневой, Валерии и других звезд Красотки в бикини: пикантные фото дочерей Веры Брежневой, Валерии и других звезд

Эти девушки унаследовали от своих мам не только красоту, но и сексуальные фигуры

Cosmopolitan
Сходить с шума: что такое мисофония — болезнь, при которой людей сводят с ума звуки Сходить с шума: что такое мисофония — болезнь, при которой людей сводят с ума звуки

Эксперт рассказывает о мисофонии — болезни, при которой людей сводят с ума звуки

Esquire
Отчаянная домохозяйка Отчаянная домохозяйка

Как войти в рабочий ритм после долгого перерыва

Лиза
Чем кормить испанца Чем кормить испанца

Московский копирайтер приобрел фуд-трак и начал готовить для испанцев гамбургеры

Вокруг света
Бессмысленные споры в интернете вредят нашему здоровью Бессмысленные споры в интернете вредят нашему здоровью

Так ли безобидно увлечение интернет-полемикой?

Psychologies
Не поделили мусор Не поделили мусор

Мусорная реформа сломала эффективную систему «Вторкома» по обращению с мусором

Эксперт
Открыть в приложении