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

Тайна завитка под буквой «Д» Тайна завитка под буквой «Д»

История раскрытия, изложенная в двух частях с предисловием

Наука и жизнь
Секрет микроскопа Левенгука оказался секретом Гука Секрет микроскопа Левенгука оказался секретом Гука

Способ изготовления линзы микроскопа установили методом нейтронной томографии

N+1
Великое нашествие Великое нашествие

Вторжение монголов обратило русских государей в деспотов ордынского типа

Дилетант
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
Любители подземной тишины Любители подземной тишины

Что может быть страннее белых растений!

Наука и жизнь
Ухожу красиво Ухожу красиво

Сколько свободного времени положено каждому уставшему человеку

Cosmopolitan
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Драный кот: почему «Друзья: Воссоединение» — это провал? Драный кот: почему «Друзья: Воссоединение» — это провал?

Почему ностальгическое погружение в сериал «Друзья» по большому счету не удалось

Esquire
Место встреч: Междуречье Место встреч: Междуречье

Месопотамия – исторический регион в Турции, охватывающий долины Евфрата и Тигра

Вокруг света
9 способов справиться с ночной тревожностью 9 способов справиться с ночной тревожностью

Как заставить мозг «умолкнуть» и позволить вам поспать

Psychologies
Миф о красоте Миф о красоте

Стереотипы против женщин

kiozk originals
Мама Наоми: как эксцентричная «Черная пантера» остепенилась к 50 годам Мама Наоми: как эксцентричная «Черная пантера» остепенилась к 50 годам

Путь «Черной пантеры» Наоми Кэмпбелл к кардинальным переменам

Cosmopolitan
Правила жизни Кристофера Дойла Правила жизни Кристофера Дойла

Оператор Вонга Карвая: «Я никогда не учился в киношколе, а смотрел фильмы»

Esquire
Будь проще Будь проще

Лаконичный стиль джапанди входит в моду

Лиза
«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
Мы к вам заехали на чай Мы к вам заехали на чай

Почему Шри-Ланка входит в десятку самых желанных направлений для путешествий

Cosmopolitan
5 вопросов, которые стоит себе задать, прежде чем высказать свое мнение 5 вопросов, которые стоит себе задать, прежде чем высказать свое мнение

О чем надо поразмыслить, прежде чем делиться с окружающими своим ценным мнением

Psychologies
Больше ни ногой! Главные рассадники модной безвкусицы, которых стоит избегать Больше ни ногой! Главные рассадники модной безвкусицы, которых стоит избегать

О трех самых беспощадных рассадниках безвкусицы

Cosmopolitan
Только СПАкойствие Только СПАкойствие

Спа, который превратился в полноценный дом для отдыха и расслабления

AD
Девчонки на серфе и симфония шума: 10 самых интересных фильмов Beat Film Festival Девчонки на серфе и симфония шума: 10 самых интересных фильмов Beat Film Festival

Моби на кушетке у психоаналитика, влюбленный Тимоти Лири и девчонки на серфах

Forbes
Лёгкое дыхание Лёгкое дыхание

Интерьер, оформленный на стыке минимализма и экостиля

Идеи Вашего Дома
Ну пустой желудок Ну пустой желудок

Возможно ли 10 дней продержаться на жидкой диете?

Robb Report
Как одежда превращает тебя в старуху Как одежда превращает тебя в старуху

Что такое возрастной потенциал одежды и как не дать ему добавить тебе годков

Cosmopolitan
Сходить с шума: что такое мисофония — болезнь, при которой людей сводят с ума звуки Сходить с шума: что такое мисофония — болезнь, при которой людей сводят с ума звуки

Эксперт рассказывает о мисофонии — болезни, при которой людей сводят с ума звуки

Esquire
«Никто вам не скажет, когда все превратится в тыкву»: Баффет ответил на вопросы инвесторов «Никто вам не скажет, когда все превратится в тыкву»: Баффет ответил на вопросы инвесторов

Миллиардер Уоррен Баффет раскритиковал приложение для трейдинга Robinhood

Forbes
«А где моя сумка?»: как психотерапевт остановил вора и чему научилась его клиентка «А где моя сумка?»: как психотерапевт остановил вора и чему научилась его клиентка

Важным элементом терапии может стать даже самый неприятный инцидент

Psychologies
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
Юлия Энхель: «Каждый день мы вдохновляем друг друга на большее» Юлия Энхель: «Каждый день мы вдохновляем друг друга на большее»

Интервью с Юлией Энхель, основательницей компании Enhel Group

Forbes
«Я нашел свой путь в зрелом возрасте» «Я нашел свой путь в зрелом возрасте»

Как понять, где наша настоящая жизнь и когда не поздно начинать ее?

Psychologies
Эпоха Возрождения Эпоха Возрождения

Исторический тосканский особняк

SALON-Interior
Открыть в приложении