Фотоэкскурсия по детекторам нейтрино

Нейтрино – загадочные и неуловимые частицы, которые беспрепятственно проходят сквозь любую материю. Через тело человека за одну лишь секунду проносятся триллионы этих частиц. Чтобы увидеть их следы, ученые используют большие объемы воды или ледяные поля. В настоящий момент ведется работа над применением в качестве огромного детектора Луны. А пока исследователи продвигают грани науки за пределы планеты, можно взглянуть на Земные комплексы, служащие раскрытию тайн Вселенной.

Первые нейтрино были зафиксированы в шахте Хоумстейк (Homestake Mine) в Южной Дакоте, где начали проводить эксперименты в поздних 1960-х годах. Чтобы обнаружить, как много таинственных частиц берет свое начало на Солнце, был построен резервуар на глубине 1,5 км под поверхностью земли и наполнен более 600 тоннами перхлорэтилена – химиката, используемого в очищающих средствах. Подземное размещение гарантировало отсутствие воздействия других типов излучения. Почти каждый день нейтрино сталкивались с атомами хлора, в результате чего появлялись атомы радиоактивного аргона. Подсчитывая их количество, команда исследователей оценивала приблизительное число производимых Солнцем нейтрино, которое было в два раза меньше предсказанного. Несоответствие разрешилось спустя десятилетие.

Хотя триллионы нейтрино проходят сквозь наши тела ежесекундно, всего несколько из них взаимодействуют с материей. Чтобы обнаружить больше частиц, физики должны создать масштабные детекторы. Один из способов осуществить это – воспользоваться прозрачностью воды и льда. Когда нейтрино сталкиваются с веществом, появляющиеся в результате новые частицы очень быстро пролетают через окружающие структуры. Во льду и воде эти мчащиеся частицы сопровождают вспышки синего света, называемые излучением Черенкова.

Члены исследовательской команды плывут на лодке внутри детектора "Супер-Камиоканде" (Super-Kamiokande) в Хайде, Япония. Сооружение представляет из себя наполненный водой резервуар на глубине 1 км под землей внутри цинкового рудника. Детектор оснащен 11146 световыми сенсорами, называемыми фотоумножительными трубками, разработанными для регистрации излучения Черникова. "Супер-Камиоканде" запустили в 1996 году, а в 1998 году с его помощью удалось подтвердить существование массы у нейтрино. Эксперимент был остановлен в 2001 году, когда одна из стеклянных труб взорвалась при наполнении резервуара водой. Образовавшаяся ударная волна вывела из строя более половины оставшихся детекторов. После дорогостоящего ремонта эксперимент был возобновлен и продолжается до сих пор.

Сюдбургская нейтринная обсерватория (Sudbury Neutrino Observatory, SNO) в Канаде также использовала воду (1000 тонн) и фиксировала излучение Черенкова с помощью 10000 сенсоров, чтобы вести подсчет частиц и наконец разрешить в 2001 году несоответствие в оценочном количестве нейтрино и фактическом. SNO обнаружила, что приходящие от Солнца элементы могут менять тип, что объясняет, почему в Хоумстейке, где фиксировался только один тип нейтрино, были получены неверные данные. SNO также расположена в шахте на глубине 2 км.

В 1987 году в ходе двух экспериментов были обнаружены нейтрино, образовавшиеся в результате взрыва массивной звезды на расстоянии 160 тыс. световых лет. С тех пор никто не находил частиц, испускаемых звездами. Проводимый в Антарктике эксперимент "Ледяной куб" (IceCube) – одина из нескольких новых программ, нацеленных на поиск космических нейтрино, образующихся вследствие взрывов звезд и появляющихся из высокоэнергетических струй (джетов) черных дыр. Когда ее строительство завершится в 2011 году, "Ледяной куб" будет крупнейшей нейтринной обсерваторией в мире. Эксперимент включает 80 параллельных "струн", покрытых световыми сенсорами и помещенных в скважины глубиной до 2,5 км.

Экспериментальный детектор ANTARES, сооружение которого закончено в прошлом году, использует 12 линий вертикальных детекторов излучения Черенкова в Средиземном море. Каждая линия включает 1,5 тонны железа, и если требуется осмотреть систему, обслуживающий персонал с помощью акустических сигналов разъединяет зажимы и освобождает линию детектора от удерживающего якоря, позволяя всплыть на поверхность. Если ANTARES будет функционировать должным образом, ученые надеются создать еще большую конструкцию, которая станет конкурентом "Ледяного куба".

ANTARES также составит конкуренцию коллективу из России, ставящему целью построить нейтринный телескоп размером с кубический километр в водах озера Байкал в Сибири – глубочайшем резервуаре пресной воды в мире. С 1998 года детектор 40-метровой ширины работает в нем на глубине 1,1 км. Большинство из используемых "струн" аппарата составляют 72 метра в длину. Работы проходят в то время, когда водоем покрыт льдом.

Чтобы покрыть большую территорию ледяной шапки в районе Южного полюса, эксперимент ANITA использует воздушные баллоны, несущие аппаратуру для регистрации радиоволн, создаваемых проходящими сквозь лёд нейтрино. Первый полет состоялся в 2006 году и проходил в течение 35 дней на высоте 35 км. Второй этап завершен в 2009 году. ANITA предназначена для поиска ультравысокоэнергетических частиц, энергия которых во много раз превосходит любые показатели, которых можно достичь для частиц на Земле.

Покрытый льдом спутник Юпитера Европа может быть идеальным местом для охоты за нейтрино. На поверхности луны имеется камневидный материал (на снимке в искусственных цветах - коричневый), который поднялся из-под льда или оставлен после столкновений с космическими телами. Европа приблизительно соответствует Луне по размерам и предоставляет отличное поле для регистрации столкновений частиц. Орбитальный зонд, подобно баллонам ANITA над Южным полюсом, мог бы детектировать радиоволны от сталкивающихся со спутником нейтрино.

Несколько проектов по поиску нейтрино с помощью Луны уже находятся в стадии реализации. Радиотелескопы, нацеленные на нее, должны фиксировать короткие вспышки радиоимпульсов, появляющиеся при столкновении неуловимых частиц с безжизненной лунной поверхностью.

Источник: www.3dnews.ru