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

Курултай для своих, деспотия для чужих Курултай для своих, деспотия для чужих

В Орде русские князья считались бесправными вассалами

Дилетант
Как перестать бояться возраста? Рассказывает Михаил Лабковский Как перестать бояться возраста? Рассказывает Михаил Лабковский

Страх возраста — это страх остаться один на один с собой

Cosmopolitan
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
«Братская могила» или отличная реклама: зачем в ресторанах постоянно проводят фестивали «Братская могила» или отличная реклама: зачем в ресторанах постоянно проводят фестивали

Кому и зачем нужны гастрономические фестивали

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

Песчаные и пыльные бури и их последствия

Наука и жизнь
«Слишком мерзко для кино» «Слишком мерзко для кино»

Как продюсеры отказывались от будущих хитов

Weekend
106 минут новой эры 106 минут новой эры

Какое значение орбитальный рейс Юрия Гагарина имел для мировой науки

Наука и жизнь
Бьюти-битва: сравниваем макияж Кейт Миддлтон и Меган Маркл до замужества Бьюти-битва: сравниваем макияж Кейт Миддлтон и Меган Маркл до замужества

Герцогиням Кембриджской и Сассекской пришлось менять бьюти-привычки

Cosmopolitan
Не царский сын? Не царский сын?

Рождение Павла Петровича вызвало много пересудов при дворе

Дилетант
Последнее танго Дон Жуана. О новом спектакле Дмитрия Крымова «Моцарт Последнее танго Дон Жуана. О новом спектакле Дмитрия Крымова «Моцарт

Этот спектакль стал главной сенсацией Москвы

СНОБ
Пока огонь горит Пока огонь горит

Африка — колыбель человечества, а ЮАР — многонациональная и разнородная страны

Вокруг света
Вне зоны доступа Вне зоны доступа

Проверь – не забываешь ли ты ухаживать за «секретными» зонами лица и шеи

Лиза
Течет река Течет река

Волгоград — земля героев, речных просторов и фантастически красивых пейзажей

Лиза
Первый парень на Кубани: как бывший штурман наводнил Россию самокатами и заработал сотни миллионов на их аренде Первый парень на Кубани: как бывший штурман наводнил Россию самокатами и заработал сотни миллионов на их аренде

Как Андрей Колесник развивает кикшеринг — «умную» аренду самокатов

Forbes
12 учителей рассказывают о самых глупых родительских выходках 12 учителей рассказывают о самых глупых родительских выходках

Ужасные поступки родителей, которые особо запомнились учителям

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

Как советские люди узнавали, что закончилась война

Weekend
От Люка Хоббса до Джо Кингмана: 10 лучших ролей Дуэйна Джонсона От Люка Хоббса до Джо Кингмана: 10 лучших ролей Дуэйна Джонсона

Самые яркие роли актера, рестлера и бизнесмена Дуэйна «Скалы» Джонсона

GQ
Никотинамид предотвратил метаболические нарушения в нейронах сетчатки крыс с глаукомой Никотинамид предотвратил метаболические нарушения в нейронах сетчатки крыс с глаукомой

Шведские ученые исследовали эффект от использования никотинамида

N+1
Второй ребенок Второй ребенок

Психолог: как принять вторую беременность и полюбить ребенка

9 месяцев
Мертвый заяц и серый войлок Мертвый заяц и серый войлок

Путеводитель по мифам и сказаниям Йозефа Бойса

Weekend
Жители стоянки Вучедоль эпохи ранней бронзы пострадали в детстве от поротического гиперостаза Жители стоянки Вучедоль эпохи ранней бронзы пострадали в детстве от поротического гиперостаза

Археологи исследовали черепа людей из Хорватии древностью более 4 тысяч лет

N+1
Бургер после тренировки и запреты для беременных: разоблачаем мифы о фитнесе Бургер после тренировки и запреты для беременных: разоблачаем мифы о фитнесе

Мифы о фитнесе

Psychologies
Квантование электрического заряда измерили линейкой Квантование электрического заряда измерили линейкой

Физики заставили каплю масла левитировать в оптической ловушке малой жесткости

N+1
Чуждые россиянам идеи. Почему Сахаров проиграл, а Путин выиграл Чуждые россиянам идеи. Почему Сахаров проиграл, а Путин выиграл

Почему идеи академика Сахарова оказались чуждыми большинству народа?

СНОБ
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
Змеи в костюмах: как распознать токсичного коллегу и спасти себя Змеи в костюмах: как распознать токсичного коллегу и спасти себя

Как распознать токсичного коллегу и вовремя себя отгородить

Forbes
История провала Flime: как мы потеряли €2 млн на запуске сервиса за рубежом История провала Flime: как мы потеряли €2 млн на запуске сервиса за рубежом

Два года нервов и два миллиона евро. История провала Flime

Inc.
Гендерный сдвиг. Как равноправие полов изменит портрет сексуального преступника Гендерный сдвиг. Как равноправие полов изменит портрет сексуального преступника

К чему приводят гендерные стереотипы, когда речь идет о харассменте

СНОБ
Скука и страх. Когда к художнику приходит полиция Скука и страх. Когда к художнику приходит полиция

Культура в России продолжает «сворачиваться» по воле властей

СНОБ
Алюминий в цирконах указал на старт тектоники плит в раннем архее Алюминий в цирконах указал на старт тектоники плит в раннем архее

Около 3,6 миллиарда лет назад Земля переживала становление тектонического режима

N+1
Открыть в приложении