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

Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной

Веками учёные настойчиво искали «космическое чудо»

Наука и жизнь
Биохимия сознания и его болезней Биохимия сознания и его болезней

Как отличить мозг здорового человека от мозга больного шизофренией?

Эксперт
Тёмная тайна «дня». Почему и куда убегают гласные? Тёмная тайна «дня». Почему и куда убегают гласные?

Многие закономерности русского языка не всегда кажутся нам логичными

Наука и жизнь
Худой мир Худой мир

Мы всё так же ведем самоотверженный бой с килограммами и сантиметрами

Cosmopolitan
Моя история Моя история

Неужели в Государственной Думе читают журнал «Дилетант»?

Дилетант
Тогда и сейчас: как выглядели в юности Джоли, Энистон, Терон и другие актрисы Тогда и сейчас: как выглядели в юности Джоли, Энистон, Терон и другие актрисы

Как преобразились с годами Шарлиз Терон, Скарлетт Йоханссон и другие

Cosmopolitan
Честное лицо Честное лицо

Почему дорогостоящие аппаратные процедуры и инъекции не всегда работают?

Harper's Bazaar
Страшно до жути: лучшие российские триллеры этой весны Страшно до жути: лучшие российские триллеры этой весны

«Полет», «Топи» и другие хорошие российские триллеры

Cosmopolitan
Третий цвет Третий цвет

Однокомнатная квартира в стиле фьюжн

Идеи Вашего Дома
Замужем за злом: трагическая судьба жены Сталина Надежды Аллилуевой Замужем за злом: трагическая судьба жены Сталина Надежды Аллилуевой

Надежда Аллилуева, жена Сталина

Cosmopolitan
«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.
Невоспроизводимость научных статей только увеличила их цитируемость Невоспроизводимость научных статей только увеличила их цитируемость

Невоспроизводимую статью цитируют на 153 раза больше, чем воспроизводимую

N+1
Освоение Арктики: «Севморпуть» возвращается Освоение Арктики: «Севморпуть» возвращается

Россия вновь взялась за Арктику всерьез

Популярная механика
Кто такие интимофобы или Почему ты до сих пор не женат Кто такие интимофобы или Почему ты до сих пор не женат

Мы научим тебя оправдываться перед родителями, выклянчивающими у тебя внуков

Maxim
Темпераментные красотки! Как выглядят жены знаменитых голливудских актеров Темпераментные красотки! Как выглядят жены знаменитых голливудских актеров

Хью Джекман, Джордж Клуни остановили свой выбор именно на этих красотках

Cosmopolitan
История одной фотографии: день, когда Швеция перешла на правостороннее движение, 1967 год История одной фотографии: день, когда Швеция перешла на правостороннее движение, 1967 год

Швеция оставалась последней страна Европы, перешедшая на правостороннее движение

Maxim
Зоологи научились разводить гигантских морских звезд-подсолнухов в неволе Зоологи научились разводить гигантских морских звезд-подсолнухов в неволе

Специалисты нашли способ разводить в неволе крупных морских звезд-подсолнухов

N+1
Минута славы: как сложились судьбы победителей «Фабрики звезд» Минута славы: как сложились судьбы победителей «Фабрики звезд»

Что стало с выпускниками «Фабрики звезд»

Cosmopolitan
5 крутых фильмов про ниндзя и самураев 5 крутых фильмов про ниндзя и самураев

Рекомендуем брутальное кино со сверкающими катанами

GQ
Экспортозамещение: советские и российские машины с иностранной пропиской Экспортозамещение: советские и российские машины с иностранной пропиской

От корейского газона до эфиопского УАЗа

Maxim
К перехвату управления движением готовы! К перехвату управления движением готовы!

Российские производители активно локализуют выпуск движительно-рулевых колонок

Эксперт
Монстры под кроватью Монстры под кроватью

Как детские страхи управляют нашей жизнью

Лиза
Знание — сила Знание — сила

Большой дом в наших широтах нужнее, чем свободное пространство вокруг него

AD
Как использовать эмоции себе во благо: подсказки коуча Как использовать эмоции себе во благо: подсказки коуча

Язык эмоций поможет нам использовать свое состояние себе же на пользу

Psychologies
Тогда и сейчас: как выглядели в юности самые яркие участницы «Фабрики звезд» Тогда и сейчас: как выглядели в юности самые яркие участницы «Фабрики звезд»

Знаменитости, которые прославились благодаря проекту «Фабрика звезд»

Cosmopolitan
«Цилокар»: все о новом летающем автомобиле из России «Цилокар»: все о новом летающем автомобиле из России

В России запустили проект необычного транспортного средства

РБК
Почему невыгодно продавать квартиру через риелтора Почему невыгодно продавать квартиру через риелтора

Почему не стоит продавать квартиру через риелтора и как это можно сделать иначе

СНОБ
Сделаю это завтра: как бороться с прокрастинацией и управлять ею Сделаю это завтра: как бороться с прокрастинацией и управлять ею

Какова природа прокрастинации и как с ней бороться

Популярная механика
Тогда и сейчас: как выглядят Сандра, Си Си Кетч и другие кумиры дискотек 80-х Тогда и сейчас: как выглядят Сандра, Си Си Кетч и другие кумиры дискотек 80-х

Хиты этих исполнительниц звучали на каждой танцплощадке в СССР

Cosmopolitan
Как выстраивать личные границы в отношениях с родителями? Как выстраивать личные границы в отношениях с родителями?

Почему даже во взрослом возрасте нам бывает непросто общаться с родителями

Psychologies
Открыть в приложении