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

Электроны и котики Электроны и котики

Электроны и котики

Наука и жизнь
«Сонные» гормоны «Сонные» гормоны

Что делают гормоны ночью, когда мы отдыхаем и отключаемся от реальности?

Лиза
Трагедия Эйнштейна, или счастливый Сизиф Трагедия Эйнштейна, или счастливый Сизиф

Кто самый великий физик?

Наука и жизнь
Уберутся за вас: топ-6 роботов-пылесосов с отличным качеством уборки Уберутся за вас: топ-6 роботов-пылесосов с отличным качеством уборки

Шесть оптимальных вариантов роботов-пылесосов на разные бюджеты

CHIP
Прав ли Галилей? Прав ли Галилей?

Можно ли вращаться по инерции?

Наука и жизнь
Женщины с верху. Все о главном объекте твоих фантазий — стюардессах! Женщины с верху. Все о главном объекте твоих фантазий — стюардессах!

Стюардессы являются главным объектом мужских фантазий

Maxim
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
12. Новые имена в моде 12. Новые имена в моде

«Новые имена в моде» — ежегодный конкурс редакции «Собака.ru»

Собака.ru
10 мыслей, чтобы вернуть себе равновесие 10 мыслей, чтобы вернуть себе равновесие

Что делать, если переживания становятся тяжелым испытанием

Psychologies
Мишель Родригес о новом «Форсаже», женских боевиках и Грузии Мишель Родригес о новом «Форсаже», женских боевиках и Грузии

В честь выхода на экраны девятого «Форсажа», Cosmo поговорил с Мишель Родригес

Cosmopolitan
7 вопросов Александру Сосланду, психотерапевту. О панике и карантине 7 вопросов Александру Сосланду, психотерапевту. О панике и карантине

О том, насколько опасны панические явления

Русский репортер
Как один-единственный человек весь Пакистан вооружил атомными бомбами Как один-единственный человек весь Пакистан вооружил атомными бомбами

История Абдула Кадыр Хана, или не грози Пакистану, попивая чай у себя в Нью Дели

Maxim
«Муж работает, жена красивая»: как мужчины учат нас жить и зачем им это нужно «Муж работает, жена красивая»: как мужчины учат нас жить и зачем им это нужно

«Кодекс Тарасовых» — правила, по которым живут Дмитрий Тарасов и его супруга

Cosmopolitan
Найден способ преодолеть предел максимальной продолжительности жизни человека Найден способ преодолеть предел максимальной продолжительности жизни человека

Ученые выявили фактор, ограничивающий продолжительность жизни человека

Популярная механика
Ученые установили, почему женщинам сложнее достичь оргазма, чем мужчинам Ученые установили, почему женщинам сложнее достичь оргазма, чем мужчинам

Что эволюция сделала с женским оргазмом

Maxim
О чем рассказали жидкие включения внутри древних алмазов О чем рассказали жидкие включения внутри древних алмазов

Ученые определили три различных периода образования алмазов на территории Африки

Популярная механика
Классная любовь: звезды, которые познакомились в школе, а потом поженились Классная любовь: звезды, которые познакомились в школе, а потом поженились

Эд Ширан, Снуп Догг и другие звезды, встретившие свою любовь в школе

Cosmopolitan
Первая глава дебютного романа Си Памжань «Сколько золота в этих холмах» Первая глава дебютного романа Си Памжань «Сколько золота в этих холмах»

Дебютный роман американской писательницы китайского происхождения Си Памжань

СНОБ
Только СПАкойствие Только СПАкойствие

Спа, который превратился в полноценный дом для отдыха и расслабления

AD
Пранк вышел из-под контроля. Как защититься от потенциально опасных блогеров Пранк вышел из-под контроля. Как защититься от потенциально опасных блогеров

Как с точки зрения закона классифицируются действия блогеров?

СНОБ
Как мозг восстанавливается после комы или анестезии: новое открытие Как мозг восстанавливается после комы или анестезии: новое открытие

Как именно мозг возвращается к обычному функционированию после «перезагрузки»

Популярная механика
Термогенетика помогла покрутить мышей ультразвуком Термогенетика помогла покрутить мышей ультразвуком

Ученые разработали метод стимуляции глубоких нейронов с ультразвуком

N+1
5 самых странных черных рынков нашей планеты 5 самых странных черных рынков нашей планеты

Неожиданные нелегальные товары, на которые существует огромный спрос!

Maxim
«За рулем был кто-то другой»: откровения больного сексомнией «За рулем был кто-то другой»: откровения больного сексомнией

Колонка мужчины, живущего с психическим расстройством

Esquire
Виллами по воде Виллами по воде

В ближайшем будущем плавучие дома в России будут узаконены

Robb Report
«Самый дорогой развод»: суд в Англии разрешил бывшей жене Потанина подать новый иск о разделе имущества «Самый дорогой развод»: суд в Англии разрешил бывшей жене Потанина подать новый иск о разделе имущества

Миллиардеру Владимиру Потанину грозит самый дорогой раздел имущества

Forbes
Почему виды живых существ сегодня исчезают быстрее, чем во времена массового вымирания, уничтожившего динозавров Почему виды живых существ сегодня исчезают быстрее, чем во времена массового вымирания, уничтожившего динозавров

Земле могут потребоваться миллионы лет, чтобы оправиться от человечества

Популярная механика
Резервы ФСИН: почему труд заключенных не поможет решить проблему нехватки кадров Резервы ФСИН: почему труд заключенных не поможет решить проблему нехватки кадров

Труд заключенных не слишком нужен бизнесу

Forbes
Преступление без наказания: 10 фильмов о нераскрытых убийствах Преступление без наказания: 10 фильмов о нераскрытых убийствах

Нестандартный детективы, в которых убийца так и не получил наказания

Cosmopolitan
7 стилей поведения в рабочих конфликтах 7 стилей поведения в рабочих конфликтах

Когда мы работаем в коллективе, разногласия неизбежны

Psychologies
Открыть в приложении