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

Геометрия в стиле да Винчи Геометрия в стиле да Винчи

Преобразование фигур стало главной темой математических исследований да Винчи

Наука и жизнь
В Канаде запустили приложение для управления выбором людей за деньги В Канаде запустили приложение для управления выбором людей за деньги

Кортни Смит создала приложение, позволяющее контролировать решения людей

Inc.
Секрет 2000-летней липы… Секрет 2000-летней липы…

Дерево может продолжать жить веками, разрастаясь по кругу

Наука и жизнь
Делай ноги! Как вырасти на 10 сантиметров и даже больше Делай ноги! Как вырасти на 10 сантиметров и даже больше

Больно, долго, дорого, но потом ты сам себе будешь завидовать

Maxim
Иллюзия успеха Иллюзия успеха

Четыре истории о талантливых мастерах пускать пыль в глаза

Популярная механика
Неандертальцы вымерли в Крыму более 40 тысяч лет назад Неандертальцы вымерли в Крыму более 40 тысяч лет назад

Британские палеоантропологи: Крым – одно из последних мест жизни неандертальцев

N+1
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
«Сказал девушке, что придумал звук камеры на iPhone — она лишь странно посмотрела»: история саунд-дизайнера Джима Рикса «Сказал девушке, что придумал звук камеры на iPhone — она лишь странно посмотрела»: история саунд-дизайнера Джима Рикса

Джим Рикс придумал звуки щелчка камеры iPhone и приветствия Mac

VC.RU
Шпалера со смыслами Шпалера со смыслами

Фламандская шпалера середины XVI века

Дилетант
Spice Girls: как сложились судьбы Джери Холлиуэлл, Мел Би и других Spice Girls: как сложились судьбы Джери Холлиуэлл, Мел Би и других

Что стало с девушками из Spice Girls?

Cosmopolitan
Два герцога: Ришельё против Бэкингема Два герцога: Ришельё против Бэкингема

Противостояние Англии и Франции в XVII веке — это ещё и противостояние министров

Дилетант
«Сметая запреты: очерки русской сексуальной культуры XI–XX веков» «Сметая запреты: очерки русской сексуальной культуры XI–XX веков»

«Революция» в женском сексуальном просвещении и поведении в начале XX века

N+1
Почему звезды предпочитают готовить сами и какие рецепты можно повторить Почему звезды предпочитают готовить сами и какие рецепты можно повторить

Cамые интересные и простые рецепты блюд, которые звезды готовят на своих кухнях

РБК
Как развить «мышление изобилия» Как развить «мышление изобилия»

Большинство из нас сами загоняют себя в тесные рамки

Psychologies
«На фото девочка 20 лет, не больше»: Юлия Ковальчук в трусиках изумила фанатов «На фото девочка 20 лет, не больше»: Юлия Ковальчук в трусиках изумила фанатов

Юлия Ковальчук раскрыла свои секреты идеальной фигуры

Cosmopolitan
Создан новый революционный механизм редактирования генома без необходимости разрезать ДНК Создан новый революционный механизм редактирования генома без необходимости разрезать ДНК

Ученые разработали систему генной инженерии Retron Library Recombineering

Популярная механика
5 самых интересных экспонатов Политеха ко Дню химика 5 самых интересных экспонатов Политеха ко Дню химика

Лучшие экспонаты Политехнического музея, открывающие мир химии

Популярная механика
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
К победе через боль. Как стать хорошим спортивным тренером К победе через боль. Как стать хорошим спортивным тренером

Особенности работы тренера в социальном спорте

СНОБ
Дерзкая Карди Би: горячие фото королевы хип-хопа Дерзкая Карди Би: горячие фото королевы хип-хопа

Подборка откровенных фото популярной рэперши и история ее карьеры.

Playboy
«Почему бы правительству не начать просто пользоваться этими деньгами?»: бизнес о предложении изъять у металлургов 100 млрд рублей «Почему бы правительству не начать просто пользоваться этими деньгами?»: бизнес о предложении изъять у металлургов 100 млрд рублей

Андрей Белоусов заявил о плане нового изъятия у металлургических компаний

Forbes
Подвести черту Подвести черту

Что облегчает процесс расставания и помогает перевернуть страницу?

Psychologies
Нумерация страниц в Опен Офис: простая инструкция Нумерация страниц в Опен Офис: простая инструкция

Open Office представляет собой отличный и, главное, бесплатный аналог MS Office

CHIP
10 фактов о фильме «Москва слезам не верит» 10 фактов о фильме «Москва слезам не верит»

Все, что ты не знал о самом оскароносном фильме Советского Союза

Maxim
Алексей Жидковский: «У меня не те данные, чтобы заниматься вокалом профессионально» Алексей Жидковский: «У меня не те данные, чтобы заниматься вокалом профессионально»

Танцевальный плейлист от блогера Алексея Жидковского

ЖАРА Magazine
Лиза Адаменко и еще 5 звезд, ставших жертвами домашнего насилия в молодости Лиза Адаменко и еще 5 звезд, ставших жертвами домашнего насилия в молодости

Все наши героини когда-то встретили своих принцев - взрослых, опытных, умных

Cosmopolitan
13 фраз, которые могут заставить вас сомневаться в своей адекватности 13 фраз, которые могут заставить вас сомневаться в своей адекватности

Как понять, что за чужой любовью и заботой скрываются манипуляции

Psychologies
Королевское тело: монаршие особы, чьи фигуры вызывают восхищение Королевское тело: монаршие особы, чьи фигуры вызывают восхищение

Они правят странами и при этом выглядят просто потрясающе!

Cosmopolitan
«В метро я с мужчинами на равных»: история женщины-машиниста «В метро я с мужчинами на равных»: история женщины-машиниста

Машинистка метро о том, как она выбрала эту необычную профессию

Psychologies
Плоская, пустая провокация: почему сериал «Холстон» с Юэном Макгрегором не оправдал ничьих ожиданий Плоская, пустая провокация: почему сериал «Холстон» с Юэном Макгрегором не оправдал ничьих ожиданий

Чем хорош и чем плох байопик «Холстон» об американском дизайнере?

Forbes
Открыть в приложении