Нобелевская премия по физике 2026 года связана с открытием высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения. Сделать это открытие позволила необычная обсерватория IceCube: ее детектором служит около кубического километра прозрачного антарктического льда, в глубине которого размещены тысячи оптических модулей.
Именно о работе оптических модулей и главного их компонента – фотоэлектронного умножителя рассказывает старший научный сотрудник Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) кандидат физико-математических наук Генрих Эрнстович Шайблер:
«Зарегистрировать само нейтрино непосредственно практически невозможно: эта частица крайне слабо взаимодействует с веществом. Однако, когда все же происходит взаимодействие нейтрино с веществом, а именно с атомным ядром — рождаются заряженные частицы. Такие частицы двигаются в прозрачной среде быстрее скорости распространения света в этой среде (речь идет именно о скорости света в среде, не в вакууме!) и испускают характерное черенковское излучение. Как раз эти короткие и очень слабые вспышки света регистрирует IceCube. В толще льда на глубине от 1450 до 2450 метров размещены 5160 цифровых оптических модулей с фотоэлектронными умножителями. По времени прихода и интенсивности света в разных точках огромного массива можно восстановить направление движения и энергию частицы, а затем получить информацию о породившем ее нейтрино.
Ключевой элемент каждого такого светового детектора — фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Его задача — превратить слабую вспышку света в электрический сигнал, который уже можно зарегистрировать электроникой.
Первым свет встречает фотокатод — тонкий светочувствительный полупроводниковый слой, нанесенный на внутреннюю поверхность стекла. В фотоумножителях IceCube используются фотокатоды на основе соединений щелочных металлов и сурьмы (K2CsSb).
Попадая на фотокатод, свет, а точнее, его квант — фотон передает энергию электрону и “выбивает” его: электрон покидает полупроводниковый материал фотокатода и вылетает в вакуум внутри колбы ФЭУ.
Но один электрон дает слишком слабый сигнал. Поэтому дальше начинается его многократное усиление. Электрическое поле разгоняет электрон и направляет его на первый динод. При ударе из материала динода выбивается уже несколько вторичных электронов. Они ускоряются к следующему диноду, где каждый снова порождает несколько электронов. Каскад повторяется много раз, и в используемых IceCube фотоумножителях коэффициент усиления достигает порядка 10 в седьмой степени. В конце электронная лавина собирается анодом и превращается в короткий импульс электрического тока. Так слабая вспышка черенковского света становится измеримым электрическим сигналом.
Для таких задач фотоумножители особенно удобны благодаря сочетанию высокой чувствительности, низкого уровня темновых счетов и большой площади фотокатода. Для IceCube особенно важна чувствительность в спектральной области вблизи 400 нанометров, используемой для регистрации черенковского излучения.
С фотокатодами близкого типа работают и специалисты ИФП СО РАН. В фотоумножителях IceCube применяются бищелочные фотокатоды, в том числе на основе K₂CsSb. В ИФП СО РАН, в научной группе доктора физико-математических наук профессора РАН Олега Евгеньевича Терещенко совместно с АО “Экран ФЭП” исследуются родственные мультищелочные фотокатоды на основе Na₂KSb. Они используются для других задач, в частности в электронно-оптических преобразователях и как источники спин-поляризованных электронов для коллайдеров. Ученые института планируют распространить разработанные методы исследования и на фотокатоды K₂CsSb — того же типа, который применяется в фотоумножителях для регистрации черенковского излучения.
Собственный крупный нейтринный телескоп есть и в России — Baikal-GVD, расположенный в озере Байкал. Как и IceCube, он регистрирует черенковское излучение с помощью системы оптических модулей с фотоэлектронными умножителями, только прозрачной средой для распространения света здесь служит не антарктический лед, а вода Байкала».
Источник информации и фото: пресс-служба ИФП СО РАН Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)
Обозрение Николая Никитина "Неизбежность странного микромира"
