27.04.2017

Ученые Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирского государственного университета (НГУ) разрабатывают для гамма-обсерватории TAIGA уникальные детекторы, которые помогут зарегистрировать гамма-кванты в недоступном ранее диапазоне энергии – от 100 ТэВ и выше. Источником таких частиц считается Крабовидная туманность. В будущем оборудование ИЯФ СО РАН и НГУ позволит найти новые источники, а также проверить гипотезы происхождения частиц с высокой энергией.

Панорамный вид обсерватории
Панорамный вид обсерватории

― Вселенная ― большой космический ускоритель, который производит частицы с гораздо большей энергией, чем самый известный в мире коллайдер LHC, – комментирует старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, заведующий лабораторией НГУ, кандидат физико-математических наук Евгений Кравченко. ― Если энергия гамма-квантов (фотонов с высокой энергией) сравнительно мала, то есть составляет несколько десятков ГэВ, их регистрируют на специальных спутниках. Потоки таких частиц большие, но чем выше энергия, тем гамма-квантов становится меньше.

Для сравнения ― максимальная энергия сталкивающихся протонов на Большом адронном коллайдере ― 7 ТэВ, а энергия гамма-квантов, прилетевших на Землю из космоса, может быть больше 100 ТэВ. Предполагается, что они могут рождаться при взрывах сверхновых. Заряженные частицы, в основном, протоны, отклоняются межгалактическими магнитными полями и полем самой Солнечной системы, в отличие от них нейтральные гамма-кванты сохраняют направление движения. Поэтому зарегистрировав их на Земле, мы можем узнать, откуда они прилетели. Попадая в атмосферу, частицы рождают целый ливень заряженных частиц, по наблюдению которого их и регистрируют. Заряженные частицы и гамма-кванты по-разному взаимодействуют с веществом, их можно отличить друг от друга, используя черенковский телескоп, который «фотографирует» самое начало ливня. Однако при энергиях 100 ТэВ и выше это отличие становится слабым.

Черенковский телескоп
Черенковский телескоп

Сито для частиц. Если атмосферный ливень большой энергии образовался от протона или ядра, он содержит большое количество мюонов, а в ливнях от гамма-квантов они практически отсутствуют. Способность мюонов хорошо проникать через слой земли оказалась очень полезным свойством для астрофизиков. Она позволяет устроить из системы детекторов своеобразное сито: черенковский свет регистрируется наземными телескопами и оптическими станциями, а мюоны – подземными детекторами. В результате гамма-кванты надежно выделяются из общего потока. Чтобы система была эффективна, на площади 1 км2 должны быть размещены примерно 1–2 тысячи детекторов мюонов, каждый площадью 1 м2. Отсюда вытекает принципиальное требование ― доступная цена одного детектора.

Новая технология. Сотрудники ИЯФ СО РАН и НГУ разработали технологию, при которой можно сделать детектор, с использованием элементов российского производства. Стоимость такого детектора составляет примерно тысячу долларов за квадратный метр. Тысяча детекторов, изготовленных по этой технологии, будет стоить примерно 1 миллион долларов, что немного для экспериментов такого уровня (стоимость зарубежных достигает 20 тысяч за квадратный метр).

Первые в новой области энергии. Участники проекта TAIGA станут первыми в мире, кто будет регистрировать гамма-кванты в этой области. Существует похожий по задачам международный проект CTA (Cherenkov Telescope Array), отметил Евгений Кравченко.

Конечно, это своеобразное научное соперничество, ― говорит учёный. ― Пока у нас существенное преимущество: CTA находится на стадии проекта, а первая очередь обсерватории TAIGA уже работает, здесь реализуется научная программа. Планируемая эффективность обсерваторий примерно одинаковая, но наш подход существенно дешевле. В течение двух лет мы надеемся увидеть сигналы от Крабовидной туманности, это позволит впервые наблюдать события в новой области энергии.

Печка, звёзды и две собаки. Обсерватория находится в Тункинской долине, в 50 километрах от Байкала, среди гор и лесов Прибайкалья. Пультовая ― небольшой домик с дровяной печкой, в котором находится система управления детекторами. Сюда ученые по очереди приезжают на вахту по 10 дней. ― В следующий раз поеду в Тунку в июне, ― рассказывает Евгений Кравченко. ― Задачи на вахте ― следить за набором экспериментальных данных, контролировать работу детекторов и кормить двух собак.

Головной организацией проекта TAIGA является Иркутский государственный университет. В проекте участвуют более десяти организаций из Италии, Германии, Румынии, России, в том числе, Объединенный институт ядерных исследований (Дубна). С 2016 года к проекту присоединилась совместная группа ИЯФ СО РАН и Новосибирского государственного университета, студенты которого участвуют в разработке детекторов. Общий вклад иностранных участников превысил 300 миллионов рублей.

Последняя редакция: 28.04.2017 09:48