Как работает уникальный инструмент изучения физики космических лучей и гамма-астрономии

Экспериментальный комплекс TAIGA примерно за двадцать лет вырос из одного небольшого устройства в одно из самых крупных и самых чувствительных и точных инструментов в мире для решения задач гамма-астрономии.

Отправной точкой в стремительном развитии физики космических лучей как самостоятельной научной дисциплины принято считать эксперимент, проведенный 7 августа 1912 года под руководством австрийского ученого Виктора Гесса. Использование в эксперименте воздушного шара и довольно простого прибора — электроскопа с целью определения источника обнаруженного ранее ионизирующего излучения — привело ученого к выводу о его космической природе. Этот вывод был сделан на основании того, что при подъеме воздушного шара интенсивность ионизации не уменьшалась, как было бы, если бы вызывающее ее излучение было результатом радиоактивных распадов вещества Земли, а увеличивалась, то есть с ростом высоты источник излучения приближался. Впоследствии эти выводы были неоднократно подтверждены, но, несмотря на более чем вековую историю исследований и множество важнейших открытий, ответы на многие фундаментальные вопросы, связанные с рождением, ускорением и распространением космических лучей, до сих пор не найдены. Понимание же природы этих явлений позволит сделать большой шаг в изучении строения Вселенной, описании происходящих в ней процессов и свойств астрофизических объектов.

Сейчас под космическими лучами понимается поток высокоэнергетических заряженных частиц, таких как протоны, -частицы и более тяжелые ядра. Однако в более широком смысле в это понятие также включают электроны, позитроны и гамма-излучение. В настоящее время нижняя и верхняя границы диапазона энергий экспериментально обнаруженных частиц космического излучения различаются более чем в 10 в 11 степени раз — приблизительно от 10 в девятой степени эВ (при более низких энергиях доминирует поток частиц от Солнца) и вплоть до 10 в 20 степени эВ. Очевидно, что для исследования такой огромной области энергий использовалось и используется колоссальное разнообразие принципов, экспериментальных методов и приборов.

Прямые измерения, выполняемые при помощи высотных баллонов или искусственных спутников Земли, наиболее надежны и позволяют получать информацию об энергетическом спектре и элементном составе излучения до энергии порядка 10 в 14 степени эВ. Ограничение связано с требованиями к весу, размеру и времени работы детектирующей аппаратуры, а также с тем, что интенсивность космических лучей значительно падает с ростом энергии.

Для изучения области выше 10 в 14 степени эВ используется свойство частиц порождать каскад вторичных частиц в земной атмосфере, так называемые широкие атмосферные ливни (ШАЛ). При развитии такого ливня в нем возникает большое количество составляющих, и до уровня наблюдения на поверхности Земли, как правило, доходят электрон-фотонная, адронная и мюонная компоненты, а также сопутствующие черенковское, ионизационное и радиоизлучение. Все эти компоненты могут быть зарегистрированы наземными установками детекторов, а по измеренным характеристикам компонент ШАЛ могут быть восстановлены свойства первичного космического излучения. Для регистрации ШАЛ важно определить тип и параметры детекторов будущей установки, а также их расположение: самые малые и самые большие площади, занимаемые детекторами в различных экспериментах в зависимости от их целей и задач, могут отличаться более чем в 10 в 4 степени раз.

С точки зрения понимания природы космических лучей в настоящее время значительный интерес вызывает детальное исследование диапазона энергий 10 в 16 степени – 10 в 18 степени эВ, так как по современным представлениям именно в этой области осуществляется предполагаемый переход от галактических к внегалактическим источникам. Подавляющую часть первичного излучения составляют протоны, -частицы и более тяжелые ядра. Поиск же возможного наличия гамма-квантов таких энергий в составе космических лучей определяет еще одну важную задачу. Действительно, ряд моделей и теорий предсказывают возможность существования потока гамма-квантов высоких и сверхвысоких энергий, который должен быть зарегистрирован. Первые работы в этом направлении начались более полувека назад, но, несмотря на усилия многочисленных исследовательских групп, до сих пор не обнаружено астрофизических фотонов с энергией свыше 5 х 10 в 14 степени эВ.

Несомненно, что изучение космических лучей и гамма-квантов, в частности, в указанных диапазонах энергий имеет огромную значимость, однако пока экспериментальных данных недостаточно. Это обстоятельство приводит к необходимости создания новых наземных установок с целью получения более качественной информации. На сегодняшний день преимущественное значение имеют одновременная регистрация и исследование многих параметров ШАЛ с помощью так называемых гибридных установок, к числу которых относится и экспериментальный комплекс — гамма-обсерватория TAIGA (Tunka Advanced Instrument for Cosmic Ray and Gamma Astronomy), расположенный в Тункинской долине (Республика Бурятия, Россия), в 50 км от озера Байкал.

От маленьких экспериментов к крупным исследованиям

История создания астрофизического комплекса в Тункинской долине берет свое начало в далеком 1992 году, в то время, когда на льду озера Байкал шел Байкальский нейтринный проект и велись первые эксперименты по регистрации черенковского света от ШАЛ четырьмя гибридными фотоприемниками КВАЗАР-370, которые специально разрабатывались для первого в мире глубоководного нейтринного телескопа НТ200.

Результаты экспериментов превзошли все ожидания, и буквально через год детекторы были перевезены в Тункинскую долину с целью создания широкоугольной черенковской установки для изучения космических лучей, впоследствии получившей название Тунка-4. Успешная работа этой относительно маленькой и простой установки привела к тому, что в 2000–2003 годах была развернута установка Тунка-25, состоящая уже из 25 фотоприемников, равномерно размещенных на площади 0,1 кв. км. На новой установке были получены важные результаты как по методике восстановления параметров ШАЛ, так и по энергетическому спектру космических лучей в диапазоне энергий от 8 х 10 в 14 степени эВ до 10 в 17 степени эВ. Следующим этапом в истории развития комплекса стал 2009 год, когда была запущена в набор экспериментальных данных широкоугольная черенковская установка Тунка-133. По названию нетрудно догадаться, что в ее составе находилось 133 детектора, при этом в качестве приборов, регистрирующих черенковский свет от ШАЛ, использовались фотоэлектронные умножители, предоставленные Туринским университетом, а большая часть сверхбыстрой электроники установки была предоставлена немецким физическим центром DESY. Установка Тунка-133 проводит наблюдения и по сей день, но содержит уже 175 детекторов на площади 3 кв. км. Одним из главных результатов работы этой установки стало доказательство более сложной зависимости потока космических лучей от энергии, чем предполагалось ранее. Так, обнаруженная особенность в энергетическом спектре при энергии 3 х 10 в 17 степени эВ по некоторым теоретическим моделям может быть указанием на переход от галактических к внегалактическим космическим лучам. Спустя три года после начала работы установки Тунка-133 на астрофизическом полигоне совместно с Институтом технологий из Карлсруэ (Германия) была развернута сеть радиоантенн Tunka-Rex (Tunka Radio Extension) для исследования возможности регистрации ШАЛ по радиоизлучению, состоящая из 64 антенны на площади 3 кв. км. А в 2015 году с целью регистрации заряженной компоненты ШАЛ (главным образом электрон-фотонной и мюонной компонент) была построена сцинтилляционная установка Tunka-Grande, представляющая собой 19 станций на площади 1 кв. км. Она создана на основе счетчиков, также предоставленных Туринским университетом. На сегодняшний день установки Тунка-133, Tunka-Rex и Tunka-Grande образуют единый экспериментальный комплекс для изучения космических лучей в диапазоне энергий от 10 в 16 степени до 10 в 18 степени эВ.

В своих странствиях по бескрайним просторам Вселенной заряженные космические лучи подвергаются значительному влиянию галактических и межгалактических магнитных полей, что приводит к сильному искажению их траекторий и, как следствие, потере какой-либо информации о месте их возникновения. Во многом эта причина в последние годы способствовала бурному развитию в мире экспериментальной гамма-астрономии. Действительно, так как гамма-кванты являются электрически нейтральными, то они могут быть использованы как указатель на астрофизические объекты, в которых они образовались. Но их поток очень мал по сравнению с потоком космических лучей, и с экспериментальной точки зрения возникает задача их выделения из фоновых событий, связанных с высокоэнергичными заряженными частицами. Для решения этой нетривиальной задачи в 2012 году была создана большая международная коллаборация TAIGA, в которую в настоящее время входят Иркутский, 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 и другие российские и европейские научные организации и университеты. На первом этапе были начаты работы по созданию широкоугольной черенковской установки TAIGA-HiSCORE (High Sensitivity Cosmic Rays and Gamma Explorer), в 2017 году построен первый атмосферный черенковский телескоп установки TAIGA-IACT (Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope), а в 2019-м начато создание новой сцинтилляционной установки TAIGA-Muon. В настоящее время на территории полигона уже размещены 90 оптических станций установки TAIGA-HiSCORE на площади 0,75 кв. км, два телескопа установки TAIGA-IACT и три кластера установки TAIGA-Muon, при этом работы по развертыванию этих установок не прекращаются ни на минуту. В скором будущем такой экспериментальный комплекс на площади 1 кв. км позволит не только подтвердить высокую эффективность совместной работы установок, использующих разные принципы и методы регистрации ШАЛ, образованных гамма-квантами, но и станет одним из самых чувствительных и точных инструментов в мире для решения задач гамма-астрономии при энергии свыше 10 в 14 степени эВ.

Заключение

Астрофизический комплекс в Тункинской долине является одним из крупнейших в мире экспериментов в области физики космических лучей и гамма-астрономии, в проекте принимают участие ученые из 15 как российских, так и зарубежных университетов и научных организаций. К задачам, на которые в первую очередь нацелены исследователи, относятся:

1. оценка эффективности гибридного подхода при детектировании космических лучей и гамма-квантов, в частности;
2. детальное описание энергетического спектра и элементного состава космических лучей, поиск их возможной анизотропии;
3. изучение известных высокоэнергичных галактических и внегалактических источников гамма-излучения;
4. поиск новых высокоэнергичных галактических источников гамма-излучения.

Фундаментальные исследования дают понимание устройства окружающего нас мира, и это является неотъемлемой частью прогресса человечества. Создание крупных установок детекторов, таких как гамма-обсерватория TAIGA, требуют большого количества финансовых затрат, человеческих ресурсов и времени, но при этом новые знания, которые будут, несомненно, приобретены в будущем благодаря этим экспериментам, принесут неоспоримую пользу.

Роман Монхоев, младший научный сотрудник НИИПФ ИГУ