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

9 мифов об Альберте Эйнштейне 9 мифов об Альберте Эйнштейне

Правда и мифы о создателе теории относительности

Вокруг света
Букет возможностей Букет возможностей

Использование трав и цветов в приготовлении еды — тренд в кулинарии не новый

Bones
Билет в один конец Билет в один конец

Илон Маск мечтает умереть на Марсе, и он по-своему прав

Популярная механика
MAXIM рецензирует фильм «Армия мертвецов» Зака Снайдера MAXIM рецензирует фильм «Армия мертвецов» Зака Снайдера

Кино про зомби, снятое с гордостью и предубеждением

Maxim
Любители подземной тишины Любители подземной тишины

Что может быть страннее белых растений!

Наука и жизнь
Как заниматься бизнесом и не вредить природе. Советы рестораторам Как заниматься бизнесом и не вредить природе. Советы рестораторам

Как компаниям внести ощутимый вклад в защиту окружающей среды?

СНОБ
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Танец маленьких людей Танец маленьких людей

О новом фильме Александра Миндадзе – «Паркет»

Weekend
Отсечь и отпустить Отсечь и отпустить

Принципы жизни Бурятии

Вокруг света
Первая помощь Первая помощь

Вашей пары больше нет. Как примириться с новой реальностью и жить дальше?

Psychologies
Бриллиант высокой кухни Бриллиант высокой кухни

Трюфели — одни из самых изысканных деликатесов мировой кулинарии

Наука и жизнь
Соцпакет против абьюза: как компании защищают своих сотрудников от домашнего насилия Соцпакет против абьюза: как компании защищают своих сотрудников от домашнего насилия

Как организовать корпоративную помощь пострадавшим от абьюза?

Forbes
Принц и бунтарка из народа: история любви короля Испании и его супруги Летиции Принц и бунтарка из народа: история любви короля Испании и его супруги Летиции

Не только британская королевская семья пользуется популярностью во всем мире

Cosmopolitan
Собачье сердце Собачье сердце

Когда собаке может понадобиться зоопсихолог

Tatler
«Мы меняем любовников»: голливудские звезды, которые предавали партнеров «Мы меняем любовников»: голливудские звезды, которые предавали партнеров

Истории голливудских звезд, которые изменяли своим партнерам

Cosmopolitan
Стоит ли отбирать добычу у собаки Стоит ли отбирать добычу у собаки

Глава, в которой «у Зинаиды отбирают добычу и на пол падает колбаса»

СНОБ
Место под солнцем Место под солнцем

Когда Россия перейдет с угля и газа на возобновляемые источники энергии

РБК
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
Бизнес как по маслу: зачем производитель биотоплива Neste скупает жир от фритюра Бизнес как по маслу: зачем производитель биотоплива Neste скупает жир от фритюра

Neste остается крупнейшим в мире производителем возобновляемого дизеля

Forbes
Александр Збруев: Александр Збруев:

Александр Збруев знает, наверное, что такое счастье

Караван историй
Устройство советского атомного ядра Устройство советского атомного ядра

Дмитрий Бутрин о фильме «Сахаров. Две жизни»

Weekend
Капитаны дорогого плавания Капитаны дорогого плавания

Кто и зачем идет работать на крупные частные яхты?

Forbes Life
Как медитация может трансформировать твой бизнес: 4 преимущества для предпринимателей Как медитация может трансформировать твой бизнес: 4 преимущества для предпринимателей

Медитация — ключ к твоему успеху

Playboy
Лучшие РПГ игры с открытым миром: топ-6 Лучшие РПГ игры с открытым миром: топ-6

Самые интересные ролевые игры с уникальным геймплеем в открытом мире

CHIP
Тайные дети и крепкие браки: как сложилась личная жизнь звезд сериала «Триггер» Тайные дети и крепкие браки: как сложилась личная жизнь звезд сериала «Триггер»

Как сложилась личная жизнь артистов из сериала «Триггер»

Cosmopolitan
30 до 30. Социальные практики 30 до 30. Социальные практики

Список Forbes молодых и перспективных россиян. Социальные практики

Forbes
Геномы бактериальных вирусов с альтернативными нуклеотидами оказались не такими редкими Геномы бактериальных вирусов с альтернативными нуклеотидами оказались не такими редкими

Биологи изучили механизм биосинтеза альтернативных нуклеотидов

N+1
Чувствительные Раки и энергичные Весы: характер ребенка и его знак зодиака Чувствительные Раки и энергичные Весы: характер ребенка и его знак зодиака

Лучше понять маленького человека поможет его знак зодиака

Cosmopolitan
Мини-сад из трав Мини-сад из трав

Полезные и вкусные травы и микрозелень можно вырастить дома

Домашний Очаг
Эффект просушки: что происходит с радиоактивной лавой под реактором в Чернобыле Эффект просушки: что происходит с радиоактивной лавой под реактором в Чернобыле

Откуда взялись нейтроны в давно «остывшем» месте катастрофы в Чернобыле

N+1
Открыть в приложении