Детектор нейтрино — физический прибор, предназначенный для изучения нейтрино . Поскольку нейтрино слабо взаимодействуют с другими частицами вещества, детекторы нейтрино должны быть очень большими, чтобы обнаружить значительное количество нейтрино. Детекторы нейтрино часто строят под землей, чтобы изолировать детектор от космических лучей и другого фонового излучения. [1] Область нейтринной астрономии все еще находится в зачаточном состоянии: единственными подтвержденными внеземными источниками по состоянию на 2018 год [обновлять]являются Солнце и сверхновая 1987А в близлежащем Большом Магеллановом Облаке . Другой вероятный источник (три стандартных отклонения [2] ) — блазар TXS 0506+056, находящийся примерно в 3,7 миллиарда световых лет от нас. Нейтринные обсерватории «дадут астрономам свежий взгляд на изучение Вселенной». [3]
Использовались различные методы обнаружения. Супер Камиоканде — это большой объем воды, окруженный фототрубками , которые следят за черенковским излучением, испускаемым, когда падающее нейтрино создает в воде электрон или мюон . Нейтринная обсерватория Садбери аналогична , но в качестве детекторной среды использует тяжелую воду . Другие детекторы состояли из больших объемов хлора или галлия , которые периодически проверялись на наличие избытков аргона или германия соответственно, которые создаются нейтрино, взаимодействующими с исходным веществом. MINOS использовал твердый пластиковый сцинтиллятор , за которым наблюдали фототрубки; Borexino использует жидкий сцинтиллятор псевдокумола, за которым также наблюдают фототрубки; а детектор NOνA использует жидкий сцинтиллятор, контролируемый лавинными фотодиодами .
Предлагаемое акустическое обнаружение нейтрино посредством термоакустического эффекта является предметом специальных исследований, проводимых коллаборациями ANTARES , IceCube и KM3NeT .
Нейтрино вездесущи в природе: каждую секунду десятки миллиардов из них «проходят через каждый квадратный сантиметр нашего тела, и мы этого даже не замечаем». [4] [a] Многие из них были созданы во время Большого взрыва , а другие порождаются ядерными реакциями внутри звезд, планет и другими межзвездными процессами. [5] По предположениям ученых, некоторые из них также могут возникать в результате таких событий во Вселенной, как «сталкивающиеся черные дыры, гамма-всплески от взрывающихся звезд и/или жестокие события в ядрах далеких галактик». [6] [б]
Несмотря на всю распространенность нейтрино, их чрезвычайно трудно обнаружить из-за их малой массы и отсутствия электрического заряда. В отличие от других частиц, нейтрино взаимодействуют только посредством гравитации и слабого взаимодействия . Два типа слабых взаимодействий, в которых они (редко) участвуют, — это нейтральный ток (который включает обмен Z-бозона и приводит только к отклонению) и заряженный ток (который включает обмен W-бозоном и заставляет нейтрино превращаться в заряженный лептон : электрон , мюон или тауон или одна из их античастиц, если антинейтрино). Согласно законам физики, нейтрино должны иметь массу, но лишь «небольшую часть массы покоя» – возможно, менее «миллионной массы электрона» [1] – поэтому гравитационная сила , вызванная нейтрино, до сих пор оказалась слишком слабой. для обнаружения, оставив слабое взаимодействие в качестве основного метода обнаружения:
Антинейтрино были впервые обнаружены возле ядерного реактора Саванна-Ривер в ходе нейтринного эксперимента Коуэна-Рейнса в 1956 году. Фредерик Райнс и Клайд Коуэн использовали две мишени, содержащие раствор хлорида кадмия в воде. Рядом с водными мишенями размещались два сцинтилляционных детектора. Антинейтрино с энергией выше порога 1,8 МэВ вызывали взаимодействие заряженного тока « обратного бета-распада » с протонами в воде, производя позитроны и нейтроны. Образующиеся позитроны аннигилируют с электронами, создавая пары совпадающих фотонов с энергией около 0,5 МэВ каждый, которые могут быть обнаружены двумя сцинтилляционными детекторами над и под мишенью. Нейтроны были захвачены ядрами кадмия, что привело к задержке гамма-лучей с энергией около 8 МэВ, которые были обнаружены через несколько микросекунд после фотонов в результате аннигиляции позитрона.
Этот эксперимент был разработан Коуэном и Рейнсом, чтобы выявить уникальные признаки антинейтрино и доказать существование этих частиц. Целью эксперимента не было измерение полного потока антинейтрино . Таким образом, все обнаруженные антинейтрино имели энергию, превышающую 1,8 МэВ, что является порогом для используемого канала реакции (1,8 МэВ — это энергия, необходимая для создания позитрона и нейтрона из протона). Только около 3% антинейтрино из ядерного реактора несут достаточно энергии для того, чтобы произошла реакция.
Недавно построенный и гораздо более крупный детектор KamLAND использовал аналогичные методы для изучения колебаний антинейтрино на 53 японских атомных электростанциях. Меньший по размеру, но более радиочистый детектор Borexino смог измерить наиболее важные компоненты спектра нейтрино Солнца, а также антинейтрино Земли и ядерных реакторов.
Детекторы хлора, основанные на методе, предложенном Бруно Понтекорво , состоят из резервуара, наполненного хлорсодержащей жидкостью, такой как тетрахлорэтилен . Нейтрино иногда превращает атом хлора -37 в атом аргона -37 посредством взаимодействия заряженного тока. Пороговая энергия нейтрино этой реакции составляет 0,814 МэВ. Жидкость периодически продувается газообразным гелием для удаления аргона. Затем гелий охлаждают, чтобы отделить аргон, и атомы аргона подсчитываются на основе их радиоактивного распада с захватом электронов . Детектор хлора в бывшей шахте Хоумстейк недалеко от Лида, Южная Дакота , содержащий 520 коротких тонн (470 метрических тонн ) жидкости, был первым, кто обнаружил солнечные нейтрино, и сделал первое измерение дефицита электронных нейтрино от Солнца ( см. Проблема солнечных нейтрино ).
Аналогичная конструкция детектора с гораздо более низким порогом обнаружения 0,233 МэВ использует преобразование галлий (Ga) → германий (Ge) , которое чувствительно к нейтрино с более низкой энергией. Нейтрино способно вступить в реакцию с атомом галлия-71, превращая его в атом нестабильного изотопа германия-71. Затем германий химически экстрагировали и концентрировали. Таким образом, нейтрино были обнаружены путем измерения радиоактивного распада германия.
Этот последний метод назван методом « Эльзас-Лотарингия » в шутке, связанной с последовательностью реакций Ga → Ge → Ga . [с]
В эксперименте SAGE в России в качестве реакционной массы использовалось около 50 тонн галлия , а в экспериментах GALLEX / GNO в Италии — около 30 тонн галлия . Цена на галлий непомерно высока, поэтому провести этот эксперимент в больших масштабах сложно. Поэтому более крупные эксперименты превратились в менее дорогостоящую реакционную массу.
Радиохимические методы обнаружения полезны только для подсчета нейтрино; они почти не дают информации об энергии нейтрино или направлении движения.
Черенковские детекторы «кольцевого изображения» используют явление, называемое черенковским светом . Черенковское излучение возникает всякий раз, когда заряженные частицы, такие как электроны или мюоны, движутся через данную детекторную среду несколько быстрее, чем скорость света в этой среде . В черенковском детекторе большой объем прозрачного материала, такого как вода или лед, окружен светочувствительными фотоумножительными трубками. Заряженный лептон, образующийся с достаточной энергией и проходящий через такой детектор, действительно движется несколько быстрее, чем скорость света в среде детектора (хотя и несколько медленнее, чем скорость света в вакууме ). Заряженный лептон генерирует видимую «оптическую ударную волну» черенковского излучения . Это излучение обнаруживается фотоумножителями и проявляется в виде характерной кольцевой картины активности в матрице фотоумножителей. Поскольку нейтрино могут взаимодействовать с атомными ядрами с образованием заряженных лептонов, испускающих черенковское излучение, эту закономерность можно использовать для вывода информации о направлении, энергии и (иногда) аромате падающих нейтрино.
Два заполненных водой детектора этого типа ( Камиоканде и IMB ) зафиксировали всплеск нейтрино от сверхновой SN 1987A . [8] [d] Ученые обнаружили 19 нейтрино от взрыва звезды внутри Большого Магелланова Облака – только 19 из октодециллиона (10 57 ) нейтрино, испущенных сверхновой. [1] [e] Детектор Камиоканде смог обнаружить всплеск нейтрино, связанный с этой сверхновой, и в 1988 году он был использован для прямого подтверждения образования солнечных нейтрино. Самый крупный такой детектор — заполненный водой Супер-Камиоканде . В этом детекторе используется 50 000 тонн чистой воды, окруженной 11 000 фотоумножителей, закопанных на глубине 1 км под землей.
Нейтринная обсерватория Садбери (SNO) использует 1000 тонн сверхчистой тяжелой воды , содержащейся в сосуде диаметром 12 метров из акрилового пластика, окруженном цилиндром со сверхчистой обычной водой диаметром 22 метра и высотой 34 метра. [7] [f] Помимо нейтринных взаимодействий, видимых в обычном водном детекторе, нейтрино может расщеплять дейтерий в тяжелой воде. Образовавшийся свободный нейтрон впоследствии захватывается, высвобождая всплеск гамма-лучей, который можно обнаружить. Все три аромата нейтрино в равной степени участвуют в этой реакции диссоциации.
Детектор MiniBooNE использует чистое минеральное масло в качестве детекторной среды. Минеральное масло является природным сцинтиллятором , поэтому заряженные частицы, не обладающие достаточной энергией для создания черенковского света, все равно производят сцинтилляционный свет. Могут быть обнаружены мюоны и протоны низкой энергии, невидимые в воде. Так возникло использование природной среды в качестве средства измерения.
Поскольку с ростом энергии поток нейтрино, приходящий на Землю, уменьшается, размеры детекторов нейтрино также должны увеличиваться. [9] Хотя строительство кубического детектора размером в километр под землей, покрытого тысячами фотоумножителей , было бы непомерно дорогим, объемы обнаружения такого масштаба могут быть достигнуты путем установки черенковских детекторных решеток глубоко внутри уже существующих природных водных или ледяных образований, с рядом других преимуществ. Во-первых, сотни метров воды или льда частично защищают детектор от атмосферных мюонов. Во-вторых, эти среды прозрачны и темны, а это жизненно важные критерии для обнаружения слабого черенковского света . На практике из-за распада Калия 40 даже бездна не является полностью темной, поэтому этот распад необходимо использовать в качестве базовой линии. [10]
Расположенный на глубине около 2,5 км в Средиземном море телескоп АНТАРЕС ( Астрономия с нейтринным телескопом и исследования окружающей среды Бездны) полностью работает с 30 мая 2008 года. Состоит из группы из двенадцати отдельных вертикальных детекторных струн длиной 350 метров . Этот детектор , расположенный на расстоянии 70 метров друг от друга и оснащенный 75 оптическими модулями фотоумножителей , использует окружающую морскую воду в качестве детекторной среды. Глубоководный нейтринный телескоп следующего поколения КМ3НеТ будет иметь общий инструментальный объем около 5 км 3 . Детектор будет распределен по трем местам установки в Средиземноморье. Реализация первой очереди телескопа началась в 2013 году.
Антарктическая система детекторов мюонов и нейтрино (АМАНДА) работала с 1996 по 2004 год. В этом детекторе использовались фотоумножительные трубки, смонтированные в струнах, зарытых глубоко (1,5–2 км) внутри антарктических ледниковых льдов недалеко от Южного полюса . Сам лед является детекторной средой. Направление падающих нейтрино определяется путем регистрации времени прибытия отдельных фотонов с помощью трехмерной матрицы детекторных модулей, каждый из которых содержит по одному фотоумножителю. Этот метод позволяет регистрировать нейтрино выше 50 ГэВ с пространственным разрешением около 2 градусов . АМАНДА использовалась для создания нейтринных карт северного неба для поиска внеземных источников нейтрино и для поиска темной материи . АМАНДА была модернизирована до обсерватории IceCube , что в конечном итоге увеличило объем детекторной решетки до одного кубического километра. [11] Ice Cube находится глубоко под Южным полюсом в кубическом километре совершенно прозрачного древнего льда без пузырьков. Как и АМАНДА, он основан на обнаружении вспышек света, испускаемых в чрезвычайно редких случаях, когда нейтрино все же взаимодействует с атомом льда или воды. [11]
В эксперименте Radio Ice Cherenkov Experiment используются антенны для обнаружения черенковского излучения нейтрино высоких энергий в Антарктиде. Антарктическая импульсная переходная антенна (ANITA) — это устройство на воздушном шаре, летающее над Антарктидой и обнаруживающее аскарианское излучение , создаваемое нейтрино сверхвысоких энергий, взаимодействующими со льдом внизу. В настоящее время строится Радионейтринная обсерватория в Гренландии , которая будет использовать эффект Аскарьяна во льду для обнаружения нейтрино с энергией >10 ПэВ. [12]
Следящие калориметры, такие как детекторы MINOS , используют чередующиеся плоскости материала поглотителя и материала детектора. Плоскости поглотителя обеспечивают массу детектора, а плоскости детектора предоставляют информацию отслеживания. Сталь является популярным поглотителем, поскольку она относительно плотная и недорогая, а ее преимущество состоит в том, что ее можно намагничивать. Активным детектором часто является жидкий или пластиковый сцинтиллятор, считываемый с помощью фотоумножителей, хотя также использовались различные виды ионизационных камер.
Предложение NOνA [ 13] предлагает отказаться от плоскостей поглотителя в пользу использования очень большого активного объема детектора. [14]
Следящие калориметры полезны только для нейтрино высоких энергий ( диапазон ГэВ ). При этих энергиях взаимодействия нейтральных токов проявляются как поток адронных обломков, а взаимодействия заряженных токов идентифицируются по наличию трека заряженного лептона (возможно, рядом с какой-то формой адронных обломков).
Мюон, образующийся при взаимодействии заряженного тока, оставляет длинный проникающий след, и его легко обнаружить; Длина этого мюонного трека и его кривизна в магнитном поле обеспечивают энергию и заряд (
мкм−
против
мкм+
) информация. Электрон в детекторе создает электромагнитный ливень, который можно отличить от адронных ливней, если гранулярность активного детектора мала по сравнению с физической протяженностью ливня. Тау-лептоны практически сразу распадаются либо на другой заряженный лептон, либо на пионы , и их нельзя наблюдать непосредственно в детекторах такого типа. (Чтобы непосредственно наблюдать тау, обычно ищут излом в дорожках фотоэмульсии.)
При низких энергиях нейтрино может рассеиваться от всего ядра атома, а не от отдельных нуклонов, в процессе, известном как когерентное нейтрино-ядерное упругое рассеяние с нейтральным током или когерентное рассеяние нейтрино . [15] Этот эффект был использован для создания чрезвычайно маленького детектора нейтрино. [16] [17] [18] В отличие от большинства других методов обнаружения, когерентное рассеяние не зависит от аромата нейтрино.
Большинство экспериментов с нейтрино должны быть связаны с потоком космических лучей , бомбардирующих поверхность Земли.
Эксперименты с нейтрино более высокой энергии (>50 МэВ или около того) часто охватывают или окружают основной детектор детектором «вето», который обнаруживает, когда космические лучи проходят в основной детектор, позволяя игнорировать соответствующую активность в первичном детекторе ( «наложено вето»). Поскольку поток падающих атмосферных мюонов изотропен, по отношению к фону выделяется локализованное и анизотропное детектирование [19], выдающее космическое событие.
Для экспериментов с более низкими энергиями космические лучи не являются непосредственной проблемой. Вместо этого нейтроны и радиоизотопы расщепления , производимые космическими лучами, могут имитировать желаемые сигналы. Решением для этих экспериментов является размещение детектора глубоко под землей, чтобы земля над ним могла снизить интенсивность космических лучей до приемлемого уровня.
Детекторы нейтрино могут быть нацелены на астрофизические наблюдения, поскольку считается, что многие астрофизические события испускают нейтрино.
Подводные нейтринные телескопы:
Подледные нейтринные телескопы:
Подземные нейтринные обсерватории:
Другие:
{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite news}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite news}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
СМИ, связанные с детекторами нейтрино, на Викискладе?