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

106 минут новой эры 106 минут новой эры

Какое значение орбитальный рейс Юрия Гагарина имел для мировой науки

Наука и жизнь
И кто здесь гипотенуза? 10 шикарных фильмов о любовных треугольниках И кто здесь гипотенуза? 10 шикарных фильмов о любовных треугольниках

Лучшие фильмы о любовных треугольниках

Cosmopolitan
Открытие, получившее признание через век Открытие, получившее признание через век

Владимир Буткевич первым задался проблемой соотношения бактерий

Наука и жизнь
Рыба и мясо Рыба и мясо

Эклектичная концепция кухни с упором на рыбные и мясные блюда

SALON-Interior
Прав ли Галилей? Прав ли Галилей?

Можно ли вращаться по инерции?

Наука и жизнь
Медленно, но верно: как восстановить баланс между отдыхом и работой Медленно, но верно: как восстановить баланс между отдыхом и работой

Как найти свой рабочий ритм, следовать ему и при этом все успевать?

Psychologies
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
3 шага в борьбе с привычной тревожностью 3 шага в борьбе с привычной тревожностью

Есть ли эффективный способ борьбы с тревожностью?

Psychologies
Язычники против рыцарей-монахов Язычники против рыцарей-монахов

Литовское княжество стало для Тевтонского ордена непреодолимым препятствием

Дилетант
Скатертью дорожка Скатертью дорожка

Руководство по обустройству тропинок на дачном участке

Лиза
Клио на баррикадах Клио на баррикадах

Дискуссию о преподавании истории продолжает Леонид Кацва

Дилетант
7 женских предметов гардероба, которые были придуманы для мужчин 7 женских предметов гардероба, которые были придуманы для мужчин

Через что нашим предкам пришлось пройти в ходе эволюции моды

Maxim
Синдром «мудрых стратегов»: почему женщины в России боятся инвестировать Синдром «мудрых стратегов»: почему женщины в России боятся инвестировать

Что мешает женщинам инвестировать?

Forbes
Ошибка Илона Маска: ученые доказали, что люди не живут в виртуальной Вселенной Ошибка Илона Маска: ученые доказали, что люди не живут в виртуальной Вселенной

Почему люди не могут быть обитателями невероятно сложной виртуальной симуляции

Популярная механика
Будь проще Будь проще

Лаконичный стиль джапанди входит в моду

Лиза
Враг на тарелке Враг на тарелке

Большое количество красного мяса в рационе может менять структуру сердца

Здоровье
Хабиб: Хабиб:

Звезда TikTok Хабиб пообщался с Cosmo и рассказал о своем секрете успеха

Cosmopolitan
Гуру из соцсетей Гуру из соцсетей

Инвесторы могут выкинуть на помойку свои знания об экономической теории

Forbes
«Почему женщины убивают», экранизация Стивена Кинга и возвращение «Друзей»: 11 самых ожидаемых сериалов лета «Почему женщины убивают», экранизация Стивена Кинга и возвращение «Друзей»: 11 самых ожидаемых сериалов лета

Главные летние сериальные премьеры: Стивен Кинг, Тед Лассо и другие

Forbes
Генетики подтвердили повторное открытие считавшейся вымершей более ста лет черепахи Генетики подтвердили повторное открытие считавшейся вымершей более ста лет черепахи

Ученые переоткрыли вид черепах, считавшихся вымершими век назад

N+1
Монстры под кроватью Монстры под кроватью

Как детские страхи управляют нашей жизнью

Лиза
Правила жизни Яна Флеминга Правила жизни Яна Флеминга

Правила жизни автора романов о Джеймсе Бонде

Esquire
Оставьте на месте: аппендицит можно лечить без операции Оставьте на месте: аппендицит можно лечить без операции

Аппендикс на самом деле вовсе не бесполезный отросток

Cosmopolitan
«Одни по купонам горшки лепили, другие — песни»: монолог владельца Resonant Arts, где записывают рэперов, Познера и Дудя «Одни по купонам горшки лепили, другие — песни»: монолог владельца Resonant Arts, где записывают рэперов, Познера и Дудя

Дмитрий Бабак за 10 лет смог сделать из убыточной студии прибыльный бизнес

VC.RU
Таруса, или куда поехать на выходные Таруса, или куда поехать на выходные

Таруса: так близко и так далеко одновременно

Seasons of life
Как выглядел настоящий Хатико: редкие фотографии Как выглядел настоящий Хатико: редкие фотографии

Фотографии Хатико. Тот самый пес, который почти десять лет ждал своего хозяина

Maxim
Саша Головин, Кирилл Емельянов, Паша Бессонов — звезды «Кадетства» 15 лет спустя Саша Головин, Кирилл Емельянов, Паша Бессонов — звезды «Кадетства» 15 лет спустя

Чем занимаются повзрослевшие актеры «Кадетства»?

Cosmopolitan
«Ужасный способ погибнуть»: ученые рассказали о рисках полета людей на Марс «Ужасный способ погибнуть»: ученые рассказали о рисках полета людей на Марс

Отправка людей на Марс может стать самой рискованной миссией в истории

Forbes
Одна вокруг света: крутой спуск и теплый прием в Медном каньоне Одна вокруг света: крутой спуск и теплый прием в Медном каньоне

118-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко и ее собаки

Forbes
Т — значит тестостерон: 5 способов поднять уровень «мужского» гормона Т — значит тестостерон: 5 способов поднять уровень «мужского» гормона

Как увеличить уровень тестостерона (спойлер: он влияет не только на рост волос)

Playboy
Открыть в приложении