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

Свет и блеск Достоевского Свет и блеск Достоевского

Тернистый путь, пройденный Фёдором Михайловичем Достоевским

Наука и жизнь
Васаби, японский хрен или китайская зелёная горчица Васаби, японский хрен или китайская зелёная горчица

Приправа, о которой многие слышали, но мало кто знает, что это такое

Наука и жизнь
Пыльные бури — взгляд из космоса Пыльные бури — взгляд из космоса

Песчаные и пыльные бури и их последствия

Наука и жизнь
Камышовки поднялись на шесть километров во время перелета над Сахарой и Средиземным морем Камышовки поднялись на шесть километров во время перелета над Сахарой и Средиземным морем

Дроздовидные камышовки во время миграций дважды в год пересекают Сахару

N+1
Иллюзия успеха Иллюзия успеха

Четыре истории о талантливых мастерах пускать пыль в глаза

Популярная механика
С головой не в порядке: 10 причесок, которые отпугивают мужчин С головой не в порядке: 10 причесок, которые отпугивают мужчин

Какие прически кажутся мужчинам странными и могут отпугнуть при знакомстве?

Cosmopolitan
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Как построить эскимосский иглу своими руками Как построить эскимосский иглу своими руками

Наш редактор побывал на Гудзоновом заливе и научился строить настоящие иглу

Популярная механика
Прикоснуться к сердцу Прикоснуться к сердцу

Завтрак съешь сам — этого правила неизменно придерживаются на юге Китая

Вокруг света
Нижегородка №1 Нижегородка №1

Самая известная уроженка Нижнего Новгорода – Наталья Водянова

Дилетант
Универсальный актёр Универсальный актёр

Николай Черкасов мог сыграть кого угодно

Дилетант
Из официанток в жены звезд: Из официанток в жены звезд:

Встретить богатого и знаменитого можно, даже если ты работаешь официанткой

Cosmopolitan
Игра на жадности: почему миллионы инвесторов обречены на потери Игра на жадности: почему миллионы инвесторов обречены на потери

Инвестиции не предполагают гарантированный результат

Forbes
Путешествуем дома Путешествуем дома

Как государства сопротивляются краху туристической отрасли

Forbes
Европейцы погубили половину популяций змей и ящериц Гваделупы Европейцы погубили половину популяций змей и ящериц Гваделупы

Гваделупским рептилиям навредили завезенные хищники и разрушение среды обитания

N+1
Тест-драйв. В винную столицу России на новой Skoda Octavia Тест-драйв. В винную столицу России на новой Skoda Octavia

Тест-драйв новой Skoda Octavia

СНОБ
9 самых смешных и жестких шуток про звезд на шоу «Прожарка»: от Собчак и Дудя до Тимати 9 самых смешных и жестких шуток про звезд на шоу «Прожарка»: от Собчак и Дудя до Тимати

Полная свобода творчества!

Playboy
Достоевский как диагноз. Юрий Сапрыкин и Семен Трескунов говорят о главном русском писателе Достоевский как диагноз. Юрий Сапрыкин и Семен Трескунов говорят о главном русском писателе

Дискуссия о месте Достоевского в российской культуре

СНОБ
16 бесчестных трюков продавцов, работодателей, производителей и других хитрых людей 16 бесчестных трюков продавцов, работодателей, производителей и других хитрых людей

Как большие и маленькие компании кидают своих клиентов и сотрудников

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
Анастасия Макеева: «Я тоже хочу быть счастливой!» Анастасия Макеева: «Я тоже хочу быть счастливой!»

Интервью с актрисой Анастасией Макеевой

Здоровье
Хакеры на заказ с техподдержкой: чем известна группировка DarkSide, которая вызвала кризис топлива в США Хакеры на заказ с техподдержкой: чем известна группировка DarkSide, которая вызвала кризис топлива в США

DarkSide стала одной из крупнейших и авторитетных хакерских организаций в мире

VC.RU
Собери сам: инженер продаёт набор для сборки дискового телефона с изогнутым экраном и 4G за $390 Собери сам: инженер продаёт набор для сборки дискового телефона с изогнутым экраном и 4G за $390

Для тех, кто соскучился по аналоговым устройствам в «сенсорном» мире

VC.RU
Физики запутали и измерили два макрообъекта Физики запутали и измерили два макрообъекта

Квантовые явления в макроскопических механических системах

N+1
Хабиб: Хабиб:

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

Cosmopolitan
Как Алан Рикман работал над ролью Северуса Снейпа в Как Алан Рикман работал над ролью Северуса Снейпа в

Как Алан Рикман воплотил на экране роль профессора Снейпа?

Esquire
Лучшие игры на ПК с открытым миром: топ-5 Лучшие игры на ПК с открытым миром: топ-5

Лучшие игры для компьютера с открытым миром, которые все еще актуальны

CHIP
От эпиляции до больших губ: какие процедуры косметологи никогда не делают себе От эпиляции до больших губ: какие процедуры косметологи никогда не делают себе

О каких услугах косметолога стоит позабыть?

Cosmopolitan
30 до 30. Наука и технологии 30 до 30. Наука и технологии

Список Forbes молодых и перспективных россиян. Наука и технологии

Forbes
Ранняя менопауза: почему климакс может наступить до 40 лет Ранняя менопауза: почему климакс может наступить до 40 лет

Что такое преждевременная менопауза и в чем она выражается?

Cosmopolitan
Открыть в приложении