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

Прав ли Галилей? Прав ли Галилей?

Можно ли вращаться по инерции?

Наука и жизнь
Понять и простить: что автомобилисту надо знать о двухколесных соседях Понять и простить: что автомобилисту надо знать о двухколесных соседях

Советы, как водителю взаимодействовать с велосипедистами и мотоциклистами

GQ
Великое нашествие Великое нашествие

Вторжение монголов обратило русских государей в деспотов ордынского типа

Дилетант
Не выходя за рамки Не выходя за рамки

Интерьер отражает сильную личность хозяйки: чёткость, целеустремлённость

Идеи вашего дома
Танцы со стрепетом Танцы со стрепетом

Весной стрепет — бесспорный символ ковыльной степи

Наука и жизнь
Научить подростка обращаться с деньгами: 5 советов для родителей Научить подростка обращаться с деньгами: 5 советов для родителей

Умение планировать свои расходы — образование, о котором родители часто забывают

Psychologies
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Сколько нужно бывать на солнце, чтобы оставаться здоровым? Сколько нужно бывать на солнце, чтобы оставаться здоровым?

Врач объясняет, как рассчитать индивидуальную норму пребывания на солнце

Reminder
Андрей и Люся Андрей и Люся

С 1971 года жизненные пути Елены Боннэр и Андрея Сахарова «слились»

Дилетант
Одна вокруг света: серебряный город и Звездная гора Одна вокруг света: серебряный город и Звездная гора

122-я серия о путешествии москвички Ирины Сидоренко и ее собаки Греты: Мексика

Forbes
Джихад за Карабах. Чем это грозит России? Джихад за Карабах. Чем это грозит России?

С кем сотрудничает президент Эрдоган и как это повлияет на ситуацию на Кавказе

Огонёк
«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
Экю, пистоли, ливры… Экю, пистоли, ливры…

Давайте же разберёмся, что такое ливр, экю, пистоль и более поздний луидор

Дилетант
Готовимся к лету: как очистить организм без вреда для здоровья Готовимся к лету: как очистить организм без вреда для здоровья

Вместе с экспертом разбираемся в способах безопасного очищения организма

РБК
5 способов упростить изучение иностранного языка (мнение ученых) 5 способов упростить изучение иностранного языка (мнение ученых)

Пять доказанных наукой способов, как можно выучить иностранный язык

Maxim
Французский пасхальный пирог Французский пасхальный пирог

Le Tourteau Fromage – французский пасхальный пирог

Weekend
Виллами по воде Виллами по воде

В ближайшем будущем плавучие дома в России будут узаконены

Robb Report
Прорыв в никуда. Тест-драйв уникальной «Волги» Прорыв в никуда. Тест-драйв уникальной «Волги»

Рассказываем драматичную историю ГАЗ-3105

РБК
Low and slow Low and slow

Российское барбекю с техасским акцентом

Bones
Завоевание умов: почему так важны институциональные проекты российских меценатов Завоевание умов: почему так важны институциональные проекты российских меценатов

Недоверие россиян к бизнесу мешает развитию страны. Как исправить эту ситуацию

Forbes
«Живопись — легальная взятка»: коллекционер Валерий Дудаков о вкусах бизнесменов 90-х «Живопись — легальная взятка»: коллекционер Валерий Дудаков о вкусах бизнесменов 90-х

Сколько тратили на искусство российские бизнесмены 1990-х?

Forbes
Голые красотки, воск и плетки: самые провокационные клипы группы «ВИА Гра» Голые красотки, воск и плетки: самые провокационные клипы группы «ВИА Гра»

Самые горячие клипы группы «ВИА Гра»

Cosmopolitan
Живая посуда, суперкостюм для мяса и другие биотехнологии будущего для человека Живая посуда, суперкостюм для мяса и другие биотехнологии будущего для человека

Специалисты предлагают новые варианты борьбы с отходами

Популярная механика
₽110 млрд за НПЗ и кредит в придачу ₽110 млрд за НПЗ и кредит в придачу

Имущество Антипинского НПЗ выкупила компания «Русинвест»

РБК
Konfuz: «Я записал песню за полторы тысячи рублей» Konfuz: «Я записал песню за полторы тысячи рублей»

Konfuz о том, на что копит деньги и почему родители не ходят на его выступления

ЖАРА Magazine
Как худеть, подскажет тонометр Как худеть, подскажет тонометр

Проблемы с давлением не должны быть поводом избегать спортивных нагрузок

Худеем правильно
Светская львица и кузина: с кем принц Чарльз встречался до Дианы Спенсер Светская львица и кузина: с кем принц Чарльз встречался до Дианы Спенсер

Единственной настоящей любовью принца Чарльза всегда была Камилла Паркер-Боулз

Cosmopolitan
Куда поступать после школы? Cоветы коуча Куда поступать после школы? Cоветы коуча

Как помочь детям понять себя и сделать его осмысленно?

Psychologies
Нам нужна одна легенда Нам нужна одна легенда

Игорь Гулин о фильме «Белорусский вокзал» и травме отсутствия слов

Weekend
Вы свободны! Вы свободны!

От чего зависит независимость российских фрилансеров и их будущее

РБК
Открыть в приложении