Полная версия


Нейтринные детекторы

Астрономия для любителей Виды телескопов Нейтринные детекторы

Большой взрыв Большой взрыв

Прежде чем говорить о самих детекторах расскажем в начале о нейтрино. Нейтрино это стабильные нейтральные частицы участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: так нейтрино с энергией порядка 3-10 МэВ имеют в воде длину свободного пробега ~ 1018 м (~ 100 св. лет). Это означает, что обнаружить такие нейтрино чрезвычайно трудно. Именно тот факт, что нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом и делает их особенно интересными для науки.

Так известно, что мощными источниками нейтрино являются звезды, в том числе и наше солнце. Нейтрино, зараждаяся в самой середины звезды способно достичь поверхности земли не претерпев никаких изменений. Если удастся регистрировать такие нейтрино то удастся узнать о том, что происходит в недрах солнца. Еще одним значительным источникой нейтрино являются ядерные реакторы. Нейтрино от ядерных реакторов приходят не только через всю защиту реактора на и через все Землю насквозь практически ни с чем не взаимодействуя. Обнаружение этих нейтрино имело бы уже сугубо практическую цель - стало бы возможным следить за состоянием реактора из любой точки земного шара.

Поговорим теперь о том, как же все таки можно обнаружить эти нейтрино. На сегодняшний день в мире существует лишь несколько детекторов нейтрино. Один из таких детекторов находится на территории России на байкале и называется байкальский нейтринный телескоп НТ-200. Именно телескоп, потому что по сути этот детектор является телескопом, служащим для изучения солнца. Только не поверхности, как мы обычно привыкли а глубоких недр солнечного ядра. Приведем принципиальную схему этого детектора.

Для того, чтобы увидеть следы одного взаимодействия нейтрино с веществом надо неделями наблюдать за сотнями тонн вещества. Когда нейтрино взаимодействует с атомом вещества образуются мюоны - тяжелые заряженные частицы. В свою очередь, если эти мюоны проходят через что-то плотное и прозрачное, например воду или лед они испускают вспышки света называющиеся Черенковским излучением (свечение темно-голубого цвета). Этот свет улавливается светочувствительными фотоумножителями нейтринного телескопа, сигнал с которых записывается для дальнейшего анализа. С помощью такой экспериментальной установки можно определить направление прилета и энергию нейтрино. Как видно таким способом мы фактически регистрируем мюоны. Однако большая часть мюонов произошла вовсе не от нейтрино и просто являлась компонентой космического излучения. Чтобы выделить мюоны от нейтрино из намного большего количества мюонов из космических лучей при обработке данных выбираются частицы летящие снизу вверх. Таким образом, Земля служит щитом, задерживающим все частицы кроме нейтрино. Чтобы уменьшить количество отсеиваемых событий детектор погружается в воду на большую глубину.

Байкальский Нейтринный Телескоп состоит из двух сотен светочувствительных фотоумножителей закрепленных на восьми тросах и спущенных в воду южного Байкала на глубину больше километра.

Еще один детектор расположен в Японии. SuperKamiokande, являющийся модернизацией Kamiokande-II, размещен в горах Японии на глубине 1 км под землей. Этот эксперимент принципиально отличался от байкальского детектора тем, что основным процессом является рассеяние солнечных нейтрино на электронах обычной воды. В результате столкновения нейтрино с каким-либо атомом, входящим в состав воды, ядро атома отскакивало, а из атомной оболочки вылетал электрон, создавая в воде черенковское излучение. Детектор представляется огромным резервуаром (40х40 м) из нержавеющей стали, заполненный 50 000 т чистой воды, которая служит мишенью для нейтрино. На поверхности резервуара размещены 11 146 фотоумножителей. Внутренний детектор, используемый для физических исследований, окружен слоем обычной воды, который называется внешним детектором и также контролируется фотоумножителями, чтобы не допустить в основной детектор каких-либо нейтрино, произведенных в окружающей детектор породе. В дополнение к световым коллекторам и воде огромное количество электроники, компьютеров, калибровочных устройств и оборудования для очистки воды установлено в детекторе или вблизи него.

В 1998 году участники эксперимента SuperKamiokande обнаружили массу нейтрино. До этого момента нейтрино считалась безмассовой. Обнаружении массы нейтрино позволило сделать большой шаг в науке, в том числе и в космологии - где масса вещества играем ключевую роль.

В настоящий момент на Южном полюсе Земли запускается еще более чувствительный детектор IceCube. Этот нейтриный телескоп состоит из десятков скважин с "гирляндами" детекторов. Нейтрино, прореагировавшие с протонами в толще льда, дают пару из нейтрона и позитрона. Последний при аннигиляции с электронами в атомах превращается в регистрируемые чувствительными фотоумножителями кванты света, видимые издалека благодаря высокой прозрачности антарктического льда. Лед толщиной свыше полутора километров также закрывает установку от "лишних" частиц, повышая вероятность обнаружения именно нейтрино. Сейчас исследователи, работающие над сооружением уникальной установки, завершили монтаж детекторов в 40 из 80 ранее запланированных скважин глубиной в 2450 метров.

Как удалось показать ученым, обработавшим первые предварительные результаты, - благодаря охвату большого объема чистого льда новый детектор превосходит по своей чувствительности ранее построенные аналоги. Эта особенность, как заявляют исследователи, позволит применить уникальный инструмент в самых актуальных задачах астрофизики. В частности, IceCube уже зарегистрировал поток мюонов, порожденный входом в атмосферу Земли частицы с экстремальной энергией: в сотни тысяч раз превышающей энергию протонов в Большом адронном коллайдере. Другой, не менее интересный пример, на который обращают внимание авторы, - возможное выделение нейтрино, порождаемых при аннигиляции гипотетических частиц темной материи.

Михаил Карневский, 21.02.2009


deeff 22.10.2010 16:01
А почему ничего не сказано о Баксанской нейтринной обсерватории в горах Кавказа?