Наука и технологии 26 Апреля 2021

Иркутская TAIGA проверит физику на прочность

На астрофизическом полигоне Иркутского государственного университета завершено создание пилотного комплекса гамма-обсерватории TAIGA. Эта уникальная установка — один из крупнейших и наиболее чувствительных инструментов в мире для решения задач в области астрофизики высоких энергий — возможно, станет началом Новой физики, находящейся за пределами Стандартной модели
Иркутская TAIGA проверит физику на прочность
Один из 175 детекторов широкоугольной черенковской установки Tunka-133, распределенных на площади 3 кв. км.
ИГУ

Г амма-обсерватория занимает территорию площадью один квадратный километр. В дальнейшем планируется не только усовершенствовать этот комплекс, но и построить новый, гораздо более грандиозный по масштабам и чувствительности.

Информация, поступающая из дальнего космоса и улавливаемая детекторами экспериментальной установки, поможет узнать многие тайны Вселенной, внесет вклад в понимание фундаментальных законов природы, а возможно, станет началом Новой физики, находящейся за пределами Стандартной модели.

«Результаты исследования потоков гамма-квантов сверхвысоких энергий станут важным вкладом в понимание того, как произошла и развивалась Вселенная, помогут лучше разобраться в эволюции звезд, в природных механизмах ускорения частиц до энергий, в тысячи и миллионы раз превышающих энергии, до которых разгоняются протоны в Большом адронном коллайдере, — рассказал “Стимулу” декан физического факультета Иркутского государственного университета (ИГУ), соруководитель проекта TAIGA профессор Николай Буднев. — Обнаружение гамма-квантов сверхвысоких энергий может стать ключом к пониманию природы темной материи и указанием на нарушения лоренц-инвариантности, явлений, не описываемых в рамках так называемой Стандартной модели элементарных частиц».

Этот проект относится к разряду мегасайенс, а реализует его международный коллектив ученых. Кроме головной организации — ИГУ — в проект входят Московский, Новосибирский и Алтайский государственные университеты, Московский инженерно-физический институт, Институт ядерных исследований РАН, Институт ядерной физики СО РАН, Объединенный институт ядерных исследований (Дубна), DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), Гамбургский университет, другие российские и европейские научные организации и университеты.


БУДНЕВ.jpg
Декан физического факультета ИГУ, соруководитель проекта TAIGA, профессор Николай Буднев
ИГУ

Гамма-кванты из далекого космоса

Вся Вселенная пронизана космическими лучами — это энергичные потоки заряженных частиц, разогнанных мощными электромагнитными полями космических объектов. В этих же объектах рождаются гамма-кванты — фотоны с энергиями на много порядков большими, чем у фотонов видимого света, которые воспринимает человеческий глаз.

Ученым важно понимать, откуда пришли космические лучи. Заряженные частицы на своем пути отклоняются межзвездными и межгалактическими магнитными полями, и это сильно затрудняет определение источника, который их излучает. Но на гамма-кванты магнитные поля не действуют, они двигаются только по прямой, поэтому точно указывают на местоположение источника.

magnifier.png Этот проект относится к разряду мегасайенс. Кроме головной организации — Иркутского государственного университета — в проект входят Московский, Новосибирский и Алтайский государственные университеты, Московский инженерно-физический институт, Институт ядерных исследований РАН, Институт ядерной физики СО РАН, Объединенный институт ядерных исследований (Дубна), DESY, Гамбургский университет, другие российские и европейские научные организации и университеты

Из-за непрозрачности атмосферы для частиц высоких энергий (как ядер, так и гамма-квантов) их невозможно наблюдать с поверхности Земли. При этом каждая из таких частиц при попадании в атмосферу в результате множественных каскадных реакций рождает широкий атмосферный ливень (ШАЛ), достигающий поверхности Земли в виде потока электронов, протонов, фотонов, мюонов, мезонов и других частиц.

Информацию об энергии и направлении прихода первичных гамма-квантов можно восстановить, анализируя свойства черенковского излучения ШАЛ. Черенковское излучение — это слабое голубое свечение, вызванное быстрыми заряженными частицами, которые двигаются в прозрачной среде со скоростью выше скорости света в этой среде. В 1958 году советские ученые Павел Черенков, Игорь Тамм и Илья Франк были удостоены Нобелевской премии по физике с формулировкой «За открытие и истолкование эффекта Черенкова».

Именно черенковское излучение наблюдается наземными гамма-телескопами (поэтому такие телескопы еще называют черенковскими, или IACT, Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope). Наземные черенковские телескопы позволяют восстановить параметры гамма-квантов, такие как энергия и направление прихода, а также выделить порожденные гамма-квантами ШАЛ из фона ШАЛ, порожденных заряженными частицами (ядрами), путем анализа регистрируемых ими изображений ШАЛ в черенковском свете.


ГАММА ОБСЕРВ.jpg
Первый атмосферный черенковский телескоп установки TAIGA-IACT гамма-обсерватории TAIGA
ИГУ

Узнать тайны гамма-квантов

«Гамма-обсерватория TAIGA (Tunka Advanced Instrument for Gamma Astronomy and cosmic ray physics) — это комплекс совместно работающих установок, регистрирующих разными методами различные компоненты широких атмосферных ливней, развивающихся после взаимодействия ядер (исторически космических лучей) и гамма-квантов высоких энергий с атомами атмосферы на высотах от тридцати до пятидесяти километров», — пояснил Николай Буднев.

По словам ученого, уникальный комплекс предназначен для исследования частиц, приходящих из далекого космоса и несущих уникальную информацию о процессах, сопровождающихся выделением гигантской энергии. Это такие процессы, в которых за одну секунду может выделиться энергия, сопоставимая с тем количеством, которое выделяет в год миллиард Солнц.

Чем выше энергия гамма-квантов и ядер, тем меньше их попадает на Землю, поэтому для накопления значимой статистики, необходимой для определения природы астрофизических источников гамма-квантов и частиц сверхвысоких энергий, необходимы установки, площадь которых измеряется квадратными километрами.

magnifier.png Развертывание запланированных в первоначальном плане детекторов пилотного комплекса гамма-обсерватории TAIGA завершено. Следующим шагом должно стать создание установки площадью 10 кв. км и на большей высоте относительно уровня моря. Ее возможным расположением могут стать верховья Тункинской долины или местность сразу за границей с Монголией

Пилотный комплекс гамма-обсерватории TAIGA включает в себя:

— установку TAIGA-HiSCORE в составе 120 станций, распределенных с шагом 106 м на площади порядка 1 кв. км. Они предназначены для измерения время-амплитудных характеристик черенковских импульсов ШАЛ, по этим данным восстанавливаются с высокой точностью направление движения и энергия гамма-квантов и ядер, породивших ШАЛ;

— установку TAIGA-IACT в составе трех атмосферных черенковских телескопов. Каждый из них имеет составное зеркало общим диаметром 4,3 м, в фокусе которого находится сверхбыстрая высокочувствительная камера, регистрирующая форму черенковского изображения ШАЛ. По свойствам этих изображений определяется тип частицы, породившей ШАЛ, то есть происходит выделение ШАЛ от гамма-квантов из фона, создаваемого ядрами.

«Именно исследование астрофизических ускорителей сверхвысоких энергий путем регистрации потоков гамма-квантов от этих источников — главная цель создания гамма-обсерватории TAIGA, — поясняет Николай Буднев. — Дополнительное подавление фона, создаваемого ядрами, осуществляется путем измерения числа мюонов и электронов ШАЛ с помощью сцинтилляционных установок TAIGA-Muon и Tunka-Grande. Для получения качественных экспериментальных данных очень важно, чтобы все детекторы и установки гамма-обсерватории TAIGA были синхронизированы с точностью не меньше одной наносекунды. Это достигается с помощью двух параллельно работающих систем синхронизации, в том числе разработанной для Большого адронного коллайдера технологии White Rabbit, предоставленной немецкими участниками коллаборации TAIGA из DESY».

При помощи гамма-обсерватории TAIGA ученые уже успешно регистрируют потоки гамма-квантов, которые практически недоступны для исследования с использованием других установок, получают уникальные данные о многих астрофизических явлениях и проверяют принципиально новые методы и подходы для исследования космических частиц.


ОБСЕРВ.jpg
Одна из 120 оптических станций широкоугольной черенковской установки TAIGA-HiSCORE гамма-обсерватории TAIGA
ИГУ

Новая гамма-обсерватория

Развертывание запланированных в первоначальном плане детекторов пилотного комплекса гамма-обсерватории TAIGA завершено. Следующим шагом должно стать создание установки площадью 10 кв. км и на большей высоте относительно уровня моря. Ее возможным расположением могут стать верховья Тункинской долины или местность сразу за границей с Монголией. Последнее, считают ученые, по ряду характеристик и параметров гораздо предпочтительнее.

Как рассказал Николай Буднев, исследователи получили совместный российско-монгольский грант на подготовку проекта такой установки: «Думаю, на его разработку уйдет два-три года, после этого мы сможем начать развертывание новой гамма-обсерватории — по времени это займет порядка пяти-семи лет. Все это вполне реально, так как в проект заложены уникальные идеи, которые позволят иметь совершенно конкурентоспособную на мировом уровне установку. Еще один существенный нюанс, позволяющий говорить о реальности проекта, — невеликий по сравнению с другими крупными проектами объем необходимого финансирования; достигается это за счет использования новых технологий и методик».

Сейчас одна из важнейших задач для международной коллаборации TAIGA — создание сверхчувствительных камер на основе полупроводниковых детекторов для регистрации слабых вспышек света. Разработка таких камер чрезвычайно важна не только для астрофизических исследований, но и с точки зрения использования их в других науках, медицине и высокотехнологическом секторе экономики.

«В настоящее время вспышки света от ШАЛ в гамма-обсерватории TAIGA регистрируются с помощью детекторов на основе вакуумных фотоэлектронных умножителей, — пояснил Николай Буднев. — Камеры на базе полупроводниковых фотоумножителей обладают рядом преимуществ во многих случаях. Для нас важно, что они имеют более высокую чувствительность для коротковолнового черенковского излучения ШАЛ и меньшую чувствительность для света от Луны и звезд, что благоприятно для уменьшения фона и позволит увеличить время наблюдений за счет работы при наличии Луны. Сейчас мы можем проводить измерения только в безлунные периоды».

«Очень важно, — отметил ученый, — что в проекте активно участвуют студенты и аспиранты ИГУ. В нашем коллективе более 70 процентов сотрудников моложе 39 лет. Именно студенты, аспиранты и молодые сотрудники Иркутского государственного университета выполнили основную часть работ по развертыванию пилотного комплекса гамма-обсерватории TAIGA, а теперь они ведут измерения, обрабатывают и анализируют экспериментальные данные».
Еще по теме:
10.05.2021
Физик Олег Лосев известен миру благодаря трем своим открытиям: он первым в мире показал, что полупроводниковый кристалл ...
07.05.2021
7 мая 1711 года родился Давид Юм — философ, оказавший большое влияние на развитие не только философии, но и всей совреме...
06.05.2021
5 мая 1821 года в ссылке на острове Святой Елены скончался Наполеон Бонапарт
05.05.2021
5 мая родился Борис Львович Розинг. Ему принадлежит одно из первых мест среди создателей телевидения
Наверх