ИГУ На переднем крае астрофизики. Как иркутяне изучают частицы из космоса в Тункинской долине
/ru/news/2021/details/news-id2021
На переднем крае астрофизики. Как иркутяне изучают частицы из космоса в Тункинской долине
19 мая 2021

Информационное агентство «ИркСиб» опубликовало статью «На переднем крае астрофизики. Как иркутяне изучают частицы из космоса в Тункинской долине», которая вошла в эксклюзивную серию агентства — «Сделано у нас». Статья подготовлена по итогам пресс-тура на Тункинский астрофизический полигон Иркутского государственного университета, где расположена крупнейшая в мире гамма-обсерватория. Официальное название этого астрофизического инструмента — TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy). Проект TAIGA относится к разряду мегасайенс и выполняется в международной коллаборации, головной организацией в которой является ИГУ.

Приводим полный текст статьи ИА «ИркСиб».

На переднем крае астрофизики. Как иркутяне изучают частицы из космоса в Тункинской долине

TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy) – масштабный проект Иркутского госуниверситета с широким международным участием. На территории Тункинского астрофизического центра коллективного пользования ученые из России, Германии, Италии, Словакии и других стран совместно создают крупнейшую в мире гибридную гамма-обсерваторию. 

Это третий материал из серии «Сделано у нас», в которой мы рассказываем о жителях Приангарья, которые делают что-то уникальное или делают что-то лучше всех.

TAIGA находится в невероятно живописном месте – Тункинской долине. Предгорье, где редко бывает пасмурная погода, стало идеальной локацией для размещения уникального исследовательского комплекса. По словам директора НИИ прикладной физики ИГУ Андрея Танаева, большую роль сыграли отсутствие поблизости крупных городов, способных дать ночную засветку неба, и высота над уровнем моря наряду с развитой инфраструктурой. Из Иркутска сюда можно доехать чуть более чем за два часа по федеральной трассе, только последний короткий участок пути – проселочная дорога.

На одном квадратном километре разместились сразу несколько установок, каждая из которых представляет собой отдельный научный эксперимент. По совокупности данных со всех видов оборудования, регистрирующих один и тот же процесс, ученые получают наиболее полную информацию.

На переднем крае астрофизики

Иркутские ученые изучают микроскопические частицы, которые образуются во Вселенной во время катастрофических процессов, предположительно, при взрывах сверхновых, слиянии сверхмассивных черных дыр, падении звезд на ядра активных галактик. При этих процессах высвобождаются такие энергии, которые на Земле не только невозможно воспроизвести, но даже сложно представить. Так, при взрыве сверхновой, ядра ускоряются до энергии в миллиард раз большей, чем протоны в самых мощных ускорителях, созданных учеными на Земле.

Получив огромный заряд энергии, эти частицы разлетаются во все стороны, и какая-то часть из них, преодолев сотни тысяч, миллионы или миллиарды световых лет, достигает нашей планеты. Изучение частиц с высокой энергией – одна из самых актуальных и бурно развивающихся областей современной физики.

Частицы с высокой энергией бывают двух типов: заряженные (протоны и ядра) и не заряженные (гамма-кванты и нейтрино). Заряженные частицы менее интересны для исследователей, так как изменяют траекторию под действием магнитных полей. Из-за этого невозможно определить область, откуда они прилетели. Нейтрино сохраняют направление на источник и способны преодолевать гигантские  расстояния, проходя через плотные слои материи, но их очень сложно регистрировать. Наибольший интерес для ученых в обсерватории TAIGA представляют гамма-кванты, которые также сохраняют направление на объект, откуда они прилетели. Эти частицы нельзя поймать на Земле, но их можно изучать по воздействию на атмосферу.

«Когда частица с высокой энергией долетает до Земли, она в первую очередь встречается с земной атмосферой. Это взаимодействие порождает каскад вторичных частиц, который размножается лавинообразно и доходит до поверхности Земли. Эти каскады мы и регистрируем с помощью наших экспериментов, – пояснила старший научный сотрудник НИИ прикладной физики ИГУ Анна Иванова. – Наш комплекс уникален тем, что здесь используется гибридный подход, когда мы измеряем сразу несколько компонент широких атмосферных ливней (ШАЛ). ШАЛ состоит из различных вторичных частиц и излучений. У нас есть несколько разных установок, которые их регистрируют».

Диаметр широкого атмосферного ливня у поверхности Земли колеблется от сотен метров до нескольких километров. Микроскопическая частица, порождающая ШАЛ, имеет энергию аналогичную кирпичу, упавшему с высоты восьмого этажа.

Ловцы космических лучей

Часть оборудования в обсерватории работает круглосуточно, часть – только при особых условиях. Например, фотоумножители в черенковских установках крайне чувствительны, их может вывести из строя не только солнечный свет, но и лунный. Это оборудование включают только в безлунные ясные ночи. Зато оно способно уловить черенковский свет, который излучает ШАЛ. Когда вторичные частицы, получив высокую энергию, пытаются двигаться в атмосфере со скоростью выше скорости света, они начинают светиться. Это явление, названное черенковским светом, открыл советский физик, лауреат Нобелевской премии Павел Черенков. Чем большей энергией обладает первичная частица, тем ярче черенковский свет, который излучают взаимодействовавшие с ней вторичные частицы.

«Направление широкого атмосферного ливня совпадает с направлением первичной частицы. Кроме того, по тому, какое соотношение между различными типами вторичных частиц, мы можем восстановить, какого типа была первичная частица: первичный протон, первичное железо или гамма-квант», – отметила Анна Иванова.

На территории гамма-обсерватории TAIGA работает целый комплекс научного оборудования. Одна их первых установок – Tunka-133, включающая около 200 черенковских детекторов, расположенных на площади в три квадратных километра.

Более новая черенковская установка –TAIGA-HiSCORE. Это сеть из широкоугольных станций, расположенных на расстоянии 106 метров друг от друга. Сейчас в обсерватории работает 84 таких станции, в этом году их количество доведут до 121. Они регистрируют время прихода ШАЛ и амплитуду светового импульса, по которой можно восстановить энергию первичной частицы.

Атмосферные черенковские телескопы TAIGA-IACT позволяют рассмотреть ШАЛ в вертикальной плоскости. Это очень важно для определения типа частицы, породившей широкий атмосферный ливень, так как это можно сделать по форме ШАЛ. Сейчас таких телескопов установлено три, к концу лета следующего года их количество планируют довести до пяти.

«Атмосферные телескопы работают по принципу фотоаппарата. У них большое составное зеркало, которое фокусирует на матрицу черенковский свет. В результате получается изображение в виде овала. По параметрам этого изображения можно с большой достоверностью сказать, что было первичной частицей – гамма-квант или заряженная частица», – рассказал научный сотрудник НИИ прикладной физики ИГУ Александр Пахоруков.

Атмосферные телескопы – это самое дорогое оборудование в обсерватории. Чтобы удешевить проект, в комплексе TAIGA эти телескопы работают в связке с черенковскими станциями TAIGA-HiSCORE. Такой тандем позволяет дать не менее эффективный результат при существенной экономии бюджета.

Наземные и подземные сцинтилляцинные детекторы Tunka-Grande и более новые TAIGA-Muon могут работать круглосуточно. Они также регистрируют вторичные частицы широких атмосферных ливней – электроны и мюоны. Подземные детекторы необходимы для регистрации мюонной компоненты. Мюоны способны преодолеть слой грунта, как более проникающие частицы, тогда как электроны не проникают на глубину в полтора метра, на которой установлены подземные детекторы.

«Сейчас идет развертывание новой установки TAIGA-Muon. Уже развернуты три первых кластера, ожидается развертывание гораздо большего числа. В каждый кластер входит 16 детекторов – восемь наземных и восемь подземных. Идет закупка материалов для производства еще 200 таких детекторов», – пояснила Анна Иванова.

Кроме того, в следующем году на территории обсерватории планируется установить флуоресцентные детекторы, регистрирующие фотоны, которые излучают атомы атмосферных газов, возбужденные широким атмосферным ливнем.

В этом году планируется завершить калибровку оборудования гамма-обсерватории. Сейчас с этими целями черенковское оборудование направлено на хорошо изученный объект – Крабовидную туманность. Это ярчайший источник высокоэнергетического гамма-излучения. Сцинтилляционные детекторы при этом наблюдают всю доступную небесную полусферу.

Инаугурацию – официальное открытие – гамма-обсерватории TAIGA планируется провести в августе 2022 года. Таким образом завершится пилотный проект на площади один квадратный километр стоимостью один миллиард рублей. Затем, когда он докажет свою эффективность, его можно будет масштабировать на любую площадь. У Иркутского госуниверситета уже есть планы по строительству аналогичной гамма-обсерватории на площади в 10 квадратных километров.

Впереди много открытий

Ученые не просто так охотятся за этими поразительными частицами – они интересны не только сами по себе, но и могут поведать о процессах в космическом пространстве, о которых наука пока знает очень мало.

«Нас интересует механизм ускорения частиц до таких энергий, потому что так мы сможем понять сам процесс. На сегодняшний день нет общепринятого мнения об этом механизме и о его источниках», – уточнил Андрей Танаев.

Кроме того, изучение этих частиц позволяет больше узнать о структуре, процессах формирования и развития Вселенной. Например, ученые не сомневаются в существовании темной материи – вещества, которое не поддается прямому наблюдению и участвует только в гравитационном взаимодействии. Есть множество косвенных подтверждений реальности темного вещества, однако найти его частицы пока не удалось, хотя есть несколько кандидатов на эту роль. Открытие частиц темной материи, несомненно, станет событием нобелевского уровня. Произойти это открытие может и в гамма-обсерватории TAIGA.

«Есть очень сильные теоретические предположения о том, что темная материя в процессе взаимодействия с другими частицами, например с фотонами, может порождать высоко энергетичные гамма-кванты, которые мы как раз и ловим. Одна из наших задач – это поиск так называемых аксионо-подобных частиц – одного из главных кандидатов на частицы темной материи. Если у нас получится, то мы сможем претендовать на первооткрывателей частиц темной материи», – рассказал Андрей Танаев.

Оборудование обсерватории TAIGA может помочь разобраться и в процессах, которые происходят на Земле.

«Есть предположение, которое мы будем проверять, что космические частицы являются триггерами землетрясений и грозовой активности», – отметил директор НИИ прикладной физики ИГУ.

Он уточнил, что за несколько часов до ощутимых землетрясений, произошедших за последние месяцы, приборы регистрировали изменение электромагнитного фона. Но это очень свежие данные, которые ученым только предстоит обработать.

ИА «ИркСиб»

Управление информационной политики ИГУ
Телефон: 521-971