Одно из направлений работы в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» — изучение космических лучей и порождаемых ими так называемых широких атмосферных ливней. О прилетающих из космоса частицах, недостижимой на Земле энергии, египетских пирамидах и «научной рулетке», а также сегодняшнем и завтрашнем дне уникальной научной установки читайте в нашем материале.
В миллионы раз сильнее, чем на Земле
Космические лучи — это элементарные частицы (протоны, электроны) и ядра атомов (прежде всего, альфа-частицы — ядра гелия), которые с высокой скоростью летят к нам из космоса и характеризуются очень большими энергиями. Широкий атмосферный ливень — это поток вторичных субатомных частиц (преимущественно электронов), образующийся в результате множественных каскадных реакций в земной атмосфере, порожденных космическими лучами.
Как подчеркивают исследователи, изучение космических лучей интересно с трех точек зрения. Во-первых, оно помогает лучше понять процессы, происходящие в недрах звезд и в активных ядрах галактик. Во-вторых, появляется возможность изучения самого взаимодействия частиц в верхних слоях атмосферы при энергиях, недоступных ускорителям, ведь максимальная энергия космических лучей в 10 миллионов раз больше максимальной энергии, доступной на Большом адронном коллайдере. Наконец, это шаг к новым технологиям: на основе космических лучей проводят исследования процессов в гелиосфере (области космического пространства, занятой солнечным ветром) и атмосфере Земли, сканируют внутреннюю структуру пирамид, вулканов и крупных технических объектов.
По словам руководителя структурного подразделения Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) Научно-образовательного центра (НОЦ) НЕВОД, доктора физико-математических наук Анатолия Петрухина, на сегодняшний день имеется два подхода к изучению взаимодействий частиц сверхвысоких энергий: ускорительный и неускорительный.
При ускорительном подходе изучаются соударения частиц, разогнанных в специальных устройствах, например, в Большом адронном коллайдере (БАК). При неускорительном подходе для исследований используются частицы, прилетающие на Землю из глубин космоса. Поток таких частиц состоит из протонов и ядер более тяжелых атомов, которые могут иметь энергию в миллионы раз больше, чем максимальная энергия, достигнутая на БАК. При этом механизмы, ответственные за ускорение частиц космических лучей до таких высоких энергий, остаются до конца не выясненными.
Пионы, каоны, мюоны…
Когда частицы космических лучей достигают нашей планеты, они соударяются с ядрами азота и кислорода в верхних слоях атмосферы. В результате взаимодействия рождается большое количество вторичных частиц — пионов и каонов. Каждая из этих частиц является ядерно-активной и, пролетев немного в атмосфере, вступает в новое взаимодействие с другими ядрами азота и кислорода. Таким образом в атмосфере возникает каскадный процесс, в результате которого от одной частицы рождаются миллионы других частиц, вторичных. Когда каскад частиц достигает поверхности Земли, накрываемая им площадь может составлять несколько квадратных километров. Именно поэтому такие каскады называют широкими атмосферными ливнями (ШАЛ).
Поскольку размеры ШАЛ большие, а сами события достаточно редкие, для их регистрации традиционно используются установки, состоящие из большого числа расставленных в регулярном порядке детекторов. За многолетнюю историю исследований ШАЛ в мире было создано несколько десятков таких установок. В НИЯУ МИФИ для регистрации широких атмосферных ливней создана и работает уникальная установка НЕВОД-ШАЛ.
«В НИЯУ МИФИ был разработан свой уникальный метод исследования широких атмосферных ливней. Согласно этому методу, анализируются не все частицы ливня, а только его мюонная компонента. Мюоны, рождающиеся в первых актах взаимодействия первичной частицы с атомом атмосферы, обладают высокой проникающей способностью и могут долетать до детектора, даже если взаимодействие произошло на расстоянии 200-300 километров. В этом случае мы регистрируем несколько идущих параллельно частиц, которые называются группой мюонов. Анализируя количество мюонов в группах в зависимости от зенитного угла, отсчитываемого от вертикали, мы можем сделать вывод, какие частицы и с какой энергией попали в атмосферу», — рассказывает главный научный сотрудник НОЦ НЕВОД, доктор физико-математических наук Ростислав Кокоулин.
«Садовые домики» с уникальной «обстановкой»
Обычно установки для регистрации ШАЛ разворачиваются на открытом пространстве, буквально в поле. Но установку НЕВОД-ШАЛ пришлось создавать в условиях плотной застройки территории НИЯУ МИФИ. Поэтому была использована кластерная архитектура регистрирующей системы.
Часть кластеров установки НЕВОД-ШАЛ расположена на поверхности грунта вокруг Экспериментального комплекса НЕВОД, другая часть — на крышах. Масса каждой станции составляет около 400 кг. Для их размещения потребовалось реализовать множество инженерных решений. По сути, на каждый кластер НЕВОД-ШАЛ необходимо было разработать свой небольшой проект.
Пришлось продумывать множество факторов: как подвести к кластеру кабель питания, как протянуть оптоволокно для связи, как проложить в грунте бронированные рукава для сигнальных кабелей. При этом нужно было сделать так, чтобы новые коммуникации и станции никому не мешали, не пересекали теплотрассы, водопроводы и электрокабели корпусов университетов. После того как все кластеры прошли длительную процедуру настройки, установка начала регистрацию широких атмосферных ливней.
«Внутри каждого «домика» (детектирующей станции) четыре счетчика. Внутри каждого счетчика — пластина органического сцинтиллятора (химического вещества, способного испускать видимый свет при воздействии ионизирующего излучения) и фотоприемник. Заряженные частицы широкого атмосферного ливня проходят через пластину, и в ней происходят вспышки света — сцинтилляции, которые регистрируются фотоумножителем. Электрические сигналы с фотоумножителя поступают в локальный пункт кластера, где происходит их оцифровка. Процесс регистрации автоматизирован, но работу установки нужно постоянно контролировать. Одной из моих обязанностей является ежедневный анализ временных рядов данных установки: сколько раз в час сработала каждая детектирующая станция, каков ее средний отклик и т.д.», — рассказывает ведущий инженер НОЦ НЕВОД Алена Коновалова.
«После того как частицы широких атмосферных ливней проходят через детектирующие станции, в данных появляются осциллограммы (кривые, отражающие параметры процесса) сигналов с фотоумножителей. Частицы двигаются со скоростью, близкой к скорости света, и по времени прихода сигналов со станций мы можем определить, под каким углом к нам пришел широкий атмосферный ливень. Так, если ливень был вертикальным, все станции срабатывают почти одновременно, а если зенитный угол прихода составил 30 градусов, то разница времен срабатывания станций может достигать 150 наносекунд. Таким образом, анализируя времена появления сигналов, мы можем восстановить направление прихода ливня, а по их амплитудам определяем энергию первичной частицы, вызвавшей этот ливень», — объясняет ведущий инженер НОЦ НЕВОД, кандидат физико-математических наук Михаил Амельчаков.
Рулетка, но не в казино
В день установка НЕВОД-ШАЛ регистрирует около 5 тысяч событий, для которых необходимо проводить реконструкцию и физический анализ. Чтобы проверять методы восстановления событий, используется компьютерное моделирование. В программу закладываются свойства атмосферы, различные типы взаимодействий, а также все особенности детекторов — материалы, геометрия и т.д.
С каждой частицей с разной вероятностью может происходить множество процессов. При моделировании компьютер выдает случайные числа, на основе которых происходит выбор процессов. Поэтому данный метод исследования часто называют «научной рулеткой». Для моделирования одного ливня необходимо разыграть миллионы, а иногда и миллиарды случайных чисел, что требует очень больших вычислительных ресурсов. Такие расчеты проводятся на суперкомпьютерах НИЯУ МИФИ, которые носят имена нобелевских лауреатов Н.Г. Басова и П.А. Черенкова.
Если параметры моделированных событий хорошо согласуются с параметрами широких атмосферных ливней, наблюдаемых в эксперименте, это значит, что научная группа понимает свой эксперимент, и исследования находятся на верном пути.
Дальше — больше
Как отмечает профессор Анатолий Петрухин, установка НЕВОД-ШАЛ значительно расширила возможности Экспериментального комплекса НЕВОД, поскольку позволяет проводить исследования широких атмосферных ливней классическим методом — по электронно-фотонной компоненте. Теперь в комплексе есть установки, способные регистрировать три компоненты ШАЛ — электронно-фотонную, мюонную и адронную.
Семен Хохлов, кандидат физико-математических наук и сотрудник Экспериментального комплекса НЕВОД, рассказал, что в ближайшей перспективе (3-5 лет) в планах исследователей — развитие программы мультикомпонентных исследований широких атмосферных ливней. Для этого они намерены проводить совместный анализ данных нескольких установок, входящих в состав комплекса НЕВОД. В дальнейшем (через 5-10 лет) планируется увеличить размеры установки НЕВОД-ШАЛ, развернув дополнительные кластеры по всей территории НИЯУ МИФИ. Такое расширение, совместно с постройкой детектора ТРЕК и модернизацией черенковского водного калориметра позволит Экспериментальному комплексу НЕВОД стать установкой класса «мегасайенс».
