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

Секретарь Республики Секретарь Республики

Нормальная жизнь Никколо ди Бернардо деи Макиавелли оборвалась 16 декабря 1512 г

Наука и жизнь
5 самых сильных фильмов о массовой стрельбе в школах 5 самых сильных фильмов о массовой стрельбе в школах

Кинокартины, которые отчаянно кричали и предупреждали, однако не смогли помочь

Maxim
Пыльные бури — взгляд из космоса Пыльные бури — взгляд из космоса

Песчаные и пыльные бури и их последствия

Наука и жизнь
Что говорят о нас наши эротические сны? Что говорят о нас наши эротические сны?

Почему нам снятся откровенные сцены с собственным участием?

Psychologies
Мухи вредные и полезные Мухи вредные и полезные

Насекомые — это как бы параллельный мир, окружающий нас повсюду

Наука и жизнь
Куда плывём? Куда плывём?

Яхтенная индустрия должна понять, куда двигаться дальше

Robb Report
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Выходные для мамы: борщ, мошенники и родительский чат Выходные для мамы: борщ, мошенники и родительский чат

Каждая мать знает, как сложно найти время на себя в круговерти ежедневных дел

Psychologies
160 лет почти свободы 160 лет почти свободы

9 заблуждений и фактов о крепостном праве

Вокруг света
С видом на лес С видом на лес

Квартира в пригороде столицы Беларуси

SALON-Interior
Аграрный связной Аграрный связной

Как немец Штефан Дюрр использует 630 000 га российской земли

Forbes
Когда на улице +30: стильные прически, с которыми не жарко, — учимся у звезд Когда на улице +30: стильные прически, с которыми не жарко, — учимся у звезд

Простые укладки с которыми не будет тяжело в жаркий день. Учимся у звезд

Cosmopolitan
Вселенная, роботы, дневник путешественника и жуки: 9 нон-фикшн книг для детей Вселенная, роботы, дневник путешественника и жуки: 9 нон-фикшн книг для детей

Подборка книг, с которых стоит начать знакомство ребенка с наукой

Популярная механика
«Много обещаний, мало результата»: почему беспилотники не стали повсеместным транспортом, как обещали разработчики «Много обещаний, мало результата»: почему беспилотники не стали повсеместным транспортом, как обещали разработчики

Времени и денег на создание безопасных машин нужно еще много

VC.RU
«Ничего не бойся и не сомневайся в себе!» Интервью со Светланой Ходченковой «Ничего не бойся и не сомневайся в себе!» Интервью со Светланой Ходченковой

Светлана Ходченкова отвечает на вопросы

Cosmopolitan
Что делать, если машину повредили на мойке. Инструкция и советы Что делать, если машину повредили на мойке. Инструкция и советы

Кто ответит за повреждения, которые обнаружились на автомобиле после мойки?

РБК
«Любовь. Смерть. Роботы» против экранизации «Обители» Прилепина с Безруковым — новая битва сериалов «Любовь. Смерть. Роботы» против экранизации «Обители» Прилепина с Безруковым — новая битва сериалов

Что посмотреть: «Любовь. Смерть. Роботы» или экранизацию «Обители»?

СНОБ
Стресс связали с забыванием ложной информации Стресс связали с забыванием ложной информации

Человек забывает ложную информацию, воспринятую в состоянии тревоги

N+1
От зависимости к свободе: как развивается наша личность От зависимости к свободе: как развивается наша личность

Рождаемся мы личностью или становимся?

Psychologies
Красота по-итальянски: бьюти-эволюция Моники Беллуччи Красота по-итальянски: бьюти-эволюция Моники Беллуччи

Моника Беллуччи - истинное воплощение итальянского стиля и красоты

Cosmopolitan
Как выглядят красотки из «Гардемаринов»: Лютаева, Орбакайте, Машная и другие Как выглядят красотки из «Гардемаринов»: Лютаева, Орбакайте, Машная и другие

Как изменились героини исторической саги «Гардемарины»

Cosmopolitan
Удоды охладели к самкам с насыщенно раскрашенными яйцами Удоды охладели к самкам с насыщенно раскрашенными яйцами

Окраска яиц удодов оказалась признаком, связанным с шансами на появление птенцов

N+1
Стресс и ПМС Стресс и ПМС

Как эмоциональные встряски влияют на женское здоровье?

Лиза
Кто вселил бога в машину Кто вселил бога в машину

Григорий Ревзин о Роберте Оуэне и его «Деревне единства и сотрудничества»

Weekend
10 самых плохих сериалов на Netflix 10 самых плохих сериалов на Netflix

Самые посредственные сериалы на Нетфликсе по рейтингу imdb

Maxim
Цифровая информация: как много мы ее создаем и где она хранится Цифровая информация: как много мы ее создаем и где она хранится

Современные варианты хранения информации

Популярная механика
Анастасия Макеева: «Я тоже хочу быть счастливой!» Анастасия Макеева: «Я тоже хочу быть счастливой!»

Интервью с актрисой Анастасией Макеевой

Здоровье
Собери сам: инженер продаёт набор для сборки дискового телефона с изогнутым экраном и 4G за $390 Собери сам: инженер продаёт набор для сборки дискового телефона с изогнутым экраном и 4G за $390

Для тех, кто соскучился по аналоговым устройствам в «сенсорном» мире

VC.RU
«Нет смысла сидеть в России»: как сооснователь Starta Ventures Алексей Гирин помогает стартапам развиваться в США «Нет смысла сидеть в России»: как сооснователь Starta Ventures Алексей Гирин помогает стартапам развиваться в США

Почему Алексей Гирин разочаровался в масштабах венчурного бизнеса в России

Forbes
Лучшие игры на ПК с открытым миром: топ-5 Лучшие игры на ПК с открытым миром: топ-5

Лучшие игры для компьютера с открытым миром, которые все еще актуальны

CHIP
Открыть в приложении