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

Свет и блеск Достоевского Свет и блеск Достоевского

Тернистый путь, пройденный Фёдором Михайловичем Достоевским

Наука и жизнь
Пожизненный наем и сверхурочные часы: что такое «кароси» и почему в Японии умирают от переработок Пожизненный наем и сверхурочные часы: что такое «кароси» и почему в Японии умирают от переработок

Почему японцы умирают от переработок

Forbes
Пыльные бури — взгляд из космоса Пыльные бури — взгляд из космоса

Песчаные и пыльные бури и их последствия

Наука и жизнь
Подарок молодым хозяйкам Подарок молодым хозяйкам

История книги Елены Молоховец, научившей общество питаться дешево и вкусно

Вокруг света
Долгая счастливая жизнь Долгая счастливая жизнь

Старение – это естественно, но не нормально

Популярная механика
Первомайский свальный грех: история оргий от Древнего Египта до наших дней Первомайский свальный грех: история оргий от Древнего Египта до наших дней

Ничего необычного или нового в оргиях нет

Cosmopolitan
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Ты прекрасна, спору нет: что ты должна знать о своем теле Ты прекрасна, спору нет: что ты должна знать о своем теле

16 аргументов, которые помогут полюбить свое тело

Cosmopolitan
Издалека Издалека

Фантастическая повесть

Наука и жизнь
Запутанное дело Запутанное дело

Как избавиться от колтунов и запутавшейся в волосах жвачки без помощи ножниц?

Лиза
Дети декабря Дети декабря

Декабристы — безумцы, герои, предатели или лучшие сыны нации?

Дилетант
Играть за экологию: как видеоигры присоединяются к спасению планеты Играть за экологию: как видеоигры присоединяются к спасению планеты

В геймерское сообщество прорываются идеи защиты окружающей среды

Forbes
Нейроодежда, фото глазами и вечная жизнь: будущее наступило сейчас Нейроодежда, фото глазами и вечная жизнь: будущее наступило сейчас

Подростки придумали целую серию футуристических проектов

Seasons of life
5 черт характера, которые мы обязаны позаимствовать у плохих девочек 5 черт характера, которые мы обязаны позаимствовать у плохих девочек

У плохих девочек вообще есть чему поучиться

Cosmopolitan
Морщины или нет? Что такое кольца Венеры и как с ними бороться Морщины или нет? Что такое кольца Венеры и как с ними бороться

В чем причина появления колец Венеры и как с ними справиться?

РБК
Накопительный эффект Накопительный эффект

Как детей в разном возрасте учить финансовой грамотности

OK!
В чернилах на китайских гадальных костях бронзового века нашли сажу и киноварь В чернилах на китайских гадальных костях бронзового века нашли сажу и киноварь

Ученые определили состав пигментов в гадальных костях бронзового века

N+1
Стресс и ПМС Стресс и ПМС

Как эмоциональные встряски влияют на женское здоровье?

Лиза
Замужем за злом: трагическая судьба жены Сталина Надежды Аллилуевой Замужем за злом: трагическая судьба жены Сталина Надежды Аллилуевой

Надежда Аллилуева, жена Сталина

Cosmopolitan
Экологичный романтизм Экологичный романтизм

Маленькая квартира в новостройке с экологическими мотивами практичного дизайна

Идеи Вашего Дома
Сроки годности: от доставки до ритейла Сроки годности: от доставки до ритейла

В ресторанном бизнесе ключевую роль играет срок годности продуктов

Bones
Пожизненный пират: почему Лукашенко пошел на спецоперацию с самолетом Пожизненный пират: почему Лукашенко пошел на спецоперацию с самолетом

Лукашенко надеется, что разрыв с Западом поможет ему сохранить поддержку России

Forbes
«Не спи и пой». Ольга Перетятько о новом сольном альбоме «Песни для Майи» «Не спи и пой». Ольга Перетятько о новом сольном альбоме «Песни для Майи»

Ведущее сопрано мира Ольга Перетятько осваивает новый репертуар

СНОБ
Ипотека на двоих: готовы ли вы к ней финансово? Ипотека на двоих: готовы ли вы к ней финансово?

Как понять, что ваша пара готова к ипотеке

Psychologies
Стоит ли смотреть на драматический образ Анджелины Джоли в «Те, кто желает мне смерти» Стоит ли смотреть на драматический образ Анджелины Джоли в «Те, кто желает мне смерти»

Анализируем новый фильм режиссера Тейлора Шеридана

GQ
Глава из «Нью-Йорк вне себя» Рема Колхаса — одной из главных книг об архитектуре и устройстве города Глава из «Нью-Йорк вне себя» Рема Колхаса — одной из главных книг об архитектуре и устройстве города

Отрывок из книги Рема Колхаса по архитектуре и урбанистике современности

Esquire
Страстная любовь, измены и разводы: драмы звезд сериала «Моя прекрасная няня» Страстная любовь, измены и разводы: драмы звезд сериала «Моя прекрасная няня»

Как сложилась жизнь Анастасии Заворотнюк, Сергея Жигунова, Ольги Прокофьевой

Cosmopolitan
От «Матрицы» до «Сноудена»: лучшие фильмы всех времен про хакеров и программистов От «Матрицы» до «Сноудена»: лучшие фильмы всех времен про хакеров и программистов

Список лучших картин о хакерах, программистах и системах безопасности

Playboy
Машины смерти: как выглядели первые в мире танки Машины смерти: как выглядели первые в мире танки

В битве при Сомме через траншеи впервые поползли танки

Популярная механика
Гороскоп невыносимых бывших: кто хуже всех? Гороскоп невыносимых бывших: кто хуже всех?

Какой знак зодиака продолжит пить твою кровушку и после расставания

Cosmopolitan
Открыть в приложении