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

Танцы со стрепетом Танцы со стрепетом

Весной стрепет — бесспорный символ ковыльной степи

Наука и жизнь
План «Триумф»: почему современное русское искусство к мировой распродаже готово План «Триумф»: почему современное русское искусство к мировой распродаже готово

Место российского современного искусства на международной арт-сцене

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

История раскрытия, изложенная в двух частях с предисловием

Наука и жизнь
Плейстоценовый ледник сточил Скандинавское нагорье Плейстоценовый ледник сточил Скандинавское нагорье

Скандинавский ледниковый щит сточил 117-194 метра нагорья

N+1
Прав ли Галилей? Прав ли Галилей?

Можно ли вращаться по инерции?

Наука и жизнь
Гибель матери, развод с режиссером и другие личные драмы Дарьи Мороз Гибель матери, развод с режиссером и другие личные драмы Дарьи Мороз

Дарье Мороз удалось пережить тяжелейшие потрясения

Cosmopolitan
Нейтрино. Познание Вселенной продолжается Нейтрино. Познание Вселенной продолжается

О современном состоянии нейтринных, а также протонных исследований

Наука и жизнь
Сроки годности: от доставки до ритейла Сроки годности: от доставки до ритейла

В ресторанном бизнесе ключевую роль играет срок годности продуктов

Bones
Цивилизации Цивилизации

Образы людей и богов в искусстве от Древнего мира до наших дней

kiozk originals
10 лучших советских мультфильмов про кошек и собак 10 лучших советских мультфильмов про кошек и собак

Главные советские мультфильмы о кошках и собаках: рейтинг

Maxim
Витгенштейны Витгенштейны

Витгенштейны — род России, давший стране героя войны 1812 года

Дилетант
Почему на средневековых рисунках так много рыцарей, сражающихся с улитками Почему на средневековых рисунках так много рыцарей, сражающихся с улитками

В средние века улитка была символом трусости

Maxim
На 10 девчонок 12 ребят: как ограничение рождаемости в Китае привело к дефициту женщин На 10 девчонок 12 ребят: как ограничение рождаемости в Китае привело к дефициту женщин

Как в Китае возник гендерный дисбаланс и изменилось положение женщин

Forbes
Субботник для гардероба: как разобрать шкаф и привести все вещи в порядок Субботник для гардероба: как разобрать шкаф и привести все вещи в порядок

Памятка, которая поможет вам позаботиться о своей одежде

Esquire
Идеальное мужское хобби: гайд по поиску нового увлечения, которое впечатлит всех Идеальное мужское хобби: гайд по поиску нового увлечения, которое впечатлит всех

Подборка разнообразных хобби для мужчин — от популярных до экзотичных

Playboy
Ушел из жизни основатель «сурового стиля»: знаковые работы Таира Салахова Ушел из жизни основатель «сурового стиля»: знаковые работы Таира Салахова

Каким запомнится Таир Салахов?

Forbes
Как две капли воды: топ-10 звездных мам и их маленьких копий Как две капли воды: топ-10 звездных мам и их маленьких копий

Очаровательные дочки знаменитых мам, которые похожи на них как две капли воды

Cosmopolitan
Не делай так: 5 привычек, из-за которых твое лицо стареет Не делай так: 5 привычек, из-за которых твое лицо стареет

5 привычек, которые помогут поддержать красоту и молодость лица

Cosmopolitan
Какими были древнейшие инструменты для татуировок из птичьих костей Какими были древнейшие инструменты для татуировок из птичьих костей

Ученые: древние индейцы использовали кости индейки для нанесения татуировок

Популярная механика
Правила жизни Яна Флеминга Правила жизни Яна Флеминга

Правила жизни автора романов о Джеймсе Бонде

Esquire
7 самых распространенных заблуждений о человеческом теле 7 самых распространенных заблуждений о человеческом теле

Мы собрали факты о нашей физиологии, которые на поверку оказались чепухой

Maxim
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
Орнитологи-любители помогли оценить численность 9700 видов птиц Орнитологи-любители помогли оценить численность 9700 видов птиц

На планете сейчас обитает около 50 миллиардов диких птиц

N+1
Денис Родькин и Элеонора Севенард: Денис Родькин и Элеонора Севенард:

Он хотел стать машинистом, она же с детства мечтала о балете

Караван историй
Как британцы создали в США первую фабрику троллей и дважды втянули американцев в войну Как британцы создали в США первую фабрику троллей и дважды втянули американцев в войну

Краткая история иностранного вмешательства во внутренние дела Америки

Weekend
5 известных книг, которые писались в годы эпидемий 5 известных книг, которые писались в годы эпидемий

Произведения литературы, которые создавались в самых неподходящих условиях

Культура.РФ
8½ шагов к своему настоящему «Я» 8½ шагов к своему настоящему «Я»

Самопознание — захватывающее путешествие

Psychologies
Жизнь незрячего. Отрывок из книги Сергея Сдобнова «Не вижу текста» Жизнь незрячего. Отрывок из книги Сергея Сдобнова «Не вижу текста»

Первая глава книги Сергея Сдобнова «Не вижу текста»

СНОБ
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
Запретный эликсир женской силы Запретный эликсир женской силы

Многих из нас когда-то спрятали в скорлупу «хорошей девочки»

Psychologies
Открыть в приложении