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

Число круче, чем π Число круче, чем π

На сегодняшний день нет области знаний, где бы число е не использовалось

Наука и жизнь
Ученые обнаружили 12 потенциальных певатронов Ученые обнаружили 12 потенциальных певатронов

Космические ускорители разгоняют частицы до энергий порядка петаэлектронвольта

N+1
Будущее пятого поколения Будущее пятого поколения

Время 4G на исходе. 5G серьезно изменит нашу жизнь

Популярная механика
Вопрос доверия Вопрос доверия

Что нужно, чтобы ребенок превратился в полноценного взрослого человека

СНОБ
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Рост насилия в эпоху бронзы вынудил женщин Анатолии взяться за оружие Рост насилия в эпоху бронзы вынудил женщин Анатолии взяться за оружие

Почему женские захоронения Центральной Анатолии часто содержали оружие?

N+1
Секрет 2000-летней липы… Секрет 2000-летней липы…

Дерево может продолжать жить веками, разрастаясь по кругу

Наука и жизнь
Отцы и деды: знаменитости, ставшие папами в пожилом и даже преклонном возрасте Отцы и деды: знаменитости, ставшие папами в пожилом и даже преклонном возрасте

Александр Градский, Иван Краско и другие стали отцами в весьма зрелом возрасте

Cosmopolitan
В саду цветут орхидеи В саду цветут орхидеи

Каким бывает Венерин башмачок

Наука и жизнь
Порошок из сверчков: что известно о новом суперфуде, захватившем бьюти-мир Порошок из сверчков: что известно о новом суперфуде, захватившем бьюти-мир

Суперфуды всегда в топе, что бы они собой ни представляли

Cosmopolitan
Автобудущее Автобудущее

Мы находимся на пороге одних из самых быстрых перемен в работе транспорта

Популярная механика
Недооцененный блокчейн: как разработчики платформы TON запустили ее под другим названием и привлекли $6 млн Недооцененный блокчейн: как разработчики платформы TON запустили ее под другим названием и привлекли $6 млн

Как компания TON стала партнером Telegram и заработала за год более $30 млн

Forbes
Тревожность, злопамятность и другие способы себе навредить. Пять типов самосаботажа и как с ними бороться Тревожность, злопамятность и другие способы себе навредить. Пять типов самосаботажа и как с ними бороться

Пять типов самосаботажа и как с ними бороться

Inc.
Шаги навстречу: как найти идеального инвестора Шаги навстречу: как найти идеального инвестора

О самых важных шагах на пути к обретению идеального инвестора

Forbes
Астрономы нашли в холодных комах комет атомы железа и никеля Астрономы нашли в холодных комах комет атомы железа и никеля

Астрономы обнаружили атомы железа и никеля в холодных комах комет

N+1
Сделаю это завтра: как бороться с прокрастинацией и управлять ею Сделаю это завтра: как бороться с прокрастинацией и управлять ею

Какова природа прокрастинации и как с ней бороться

Популярная механика
Секрет микроскопа Левенгука оказался секретом Гука Секрет микроскопа Левенгука оказался секретом Гука

Способ изготовления линзы микроскопа установили методом нейтронной томографии

N+1
Союз нерушимый Союз нерушимый

Кто и как превратил студию «Союзмультфильм» в модный бренд

GQ
В поисках духа молодости В поисках духа молодости

Почему люди старятся по-разному

Здоровье
Почему банки не любят кредитовать под интеллектуальную собственность Почему банки не любят кредитовать под интеллектуальную собственность

Получить кредит под залог интеллектуальной собственности — крайне сложная задача

Forbes
Осознанные сновидения: как научиться управлять своими снами и зачем это надо Осознанные сновидения: как научиться управлять своими снами и зачем это надо

Думаешь, что осознанные сновидения – это понятие из альтернативной науки?

Cosmopolitan
6 фактов о «Властелине колец», о которых не знают даже толкиенисты 6 фактов о «Властелине колец», о которых не знают даже толкиенисты

То, что вы точно не знали о «Властелине колец»

Maxim
5 советов, как получить максимум удовольствия от позы 69 (она станет еще горячее) 5 советов, как получить максимум удовольствия от позы 69 (она станет еще горячее)

Пора внести разнообразие в ваше постельное меню

Playboy
Голову одной жены Франциска I заменили на голову другой в часослове XV века Голову одной жены Франциска I заменили на голову другой в часослове XV века

Подмену в средневековой миниатюре обнаружили на инфракрасной фотографии

N+1
Слушать кино: плей-лист режиссера Слушать кино: плей-лист режиссера

Подборке любимых саундтреков из кино от режиссера «Китобоя»

Esquire
Миф или правда? Укрепила спину — попрощалась с морщинами: мнение экспертов Миф или правда? Укрепила спину — попрощалась с морщинами: мнение экспертов

Можно ли забыть о морщинах на лице, исправив осанку?

Cosmopolitan
Дом у озера Дом у озера

Загородный коттедж с уютным и лаконичным интерьером в духе американского ар–деко

SALON-Interior
17 удивительных фактов о Volkswagen в день рождения фирмы 17 удивительных фактов о Volkswagen в день рождения фирмы

А что ты не знаешь про «народный автомобиль»?

Maxim
Почему мы считаем некоторых людей привлекательными: 4 неожиданные причины, доказанные научно Почему мы считаем некоторых людей привлекательными: 4 неожиданные причины, доказанные научно

Привлекательность — это не только симпатичная внешность

Playboy
Союз спасения Союз спасения

Герои «Татлера» просят не покупать собак, а брать из приюта

Tatler
Открыть в приложении