Научные сотрудники лаборатории новых методов регистрации ионизирующих излучений Междисциплинарного центра физики элементарных частиц и астрофизики Физического факультета НГУ сконструировали сцинтилляционные детекторы для эксперимента «TAIGA». В прошлом месяце 8 новых устройств были отправлены получателю, остальные 16 отправят в ближайшее время. Всего же им предстоит собрать 200 детекторов. Собирают их прямо в лаборатории.
— Это уже вторая партия детекторов, которые мы разработали и собрали вместе с сотрудниками Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН. Наше участие в эксперименте «Тайга» началось в 2015 году, когда к нам обратился директор Института прикладной физики ИГУ Николай Буднев. Ему была необходима установка со сцинтилляционными детекторами для регистрации широких атмосферных ливней. Эти детекторы должны быть достаточно большими по площади, иметь невысокую стоимость и работать в температурном диапазоне от -40 до +40. Вскоре мы приступили к выполнению этой задачи. Два года ушло на создание конструкции, на третий год мы приступили к производству опытной партии из 48 детекторов. Это была наша коллективная работа с коллегами из ИЯФ. Частично она проходила в рамках госзадания, а также программы «ТОП -100» и нескольких грантов. ИЯФ предоставлял нам свои производственные возможности, помощь в разработке конструкции, навыки работы с материалами. Мы же со своей стороны закупали фотоэлектронные умножители, материал для изготовления сцинтилляторов нам предоставлял Иркутский госуниверситет. Также в НГУ был создан участок по сборке и проверке детекторов. Детекторы новой партии были модернизированы с учетом результатов опытной эксплуатации. Был расширен диапазон линейности отклика детекторов за счет использования новых делителей и установки дополнительного усилителя, — рассказал заведующий лабораторией Евгений Анатольевич Кравченко.
Широкие атмосферные ливни — это каскады вторичных элементарных частиц, которые возникают в атмосфере Земли при попадании частицы с высокой энергией. Взаимодействуя с атомами газов атмосферы, эта частица порождает новые и так далее. Данные, получаемые при анализе характеристик частиц, достигших поверхности земли, используются для восстановления параметров исходной частицы, породившей ливень, что позволяет анализировать и исследовать космическое излучение.
Эксперимент «TAIGA» — передовой комплекс для изучения космических лучей и гамма-астрономии. Направлен на измерение параметров широких атмосферных ливней. Комплекс расположен вблизи южной оконечности озера Байкал (Республика Бурятия) в астрофизическом центре коллективного пользования Иркутского государственного университета в Тункинской долине. Состоит из нескольких установок, измеряющих различные компоненты широких атмосферных ливней. В результате измерений с помощью этих детекторов и комбинации различных систем регистрации ученые имеют возможность восстановить направление прихода, энергию и тип космических лучей. Тункинский эксперимент проводит измерения в том же диапазоне энергий, что и эксперимент KASCADE-Grande в Технологическом институте Карлсруэ (Германия) и детектор космических лучей IceTop на Южном полюсе. TAIGA — это первая в мире черенковская установка площадью один квадратный километр, которая способна регистрировать гамма-кванты с огромной энергией. При этом лаборатория гибридная, она включает как местные детали, разработанные физиками из МГУ, ИГУ и НГУ, так и зарубежные разработки. Сочетание разного вида оборудования, в свою очередь, позволяет изучить механизмы генерации частиц с высокими энергиями в разных источниках.
В новых сцинтилляторах детекторах используются комплектующие исключительно отечественного производства. Они отличаются от аналогичных устройств герметичностью корпуса, что очень важно, поскольку эти детекторы предстоит закопать в землю. Для негерметичных приходится обустраивать подземные помещения, наподобие погреба и бокс с крышей. Детекторы, разработанные в НГУ, достаточно просто закопать в землю на глубину полтора метра. Внутри корпуса расположены сцинтилляционные пластины на основе полистирола. Заряженная частица попадая на них производит вспышку, далее свет попадает на переизлучатель -световод, и выводится на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), откуда и считывается специализированной электроникой. В конструкции детекторы ФЭУ - самые главные и самые дорогостоящие приборы, с помощью которых происходит регистрация очень слабых и коротких вспышек света.
— Данные детекторы с площадью поверхности в один квадратный метр и фотоэлектронным умножителем — это наше изобретение, в разработке которого мы использовали опыт ученых ИЯФ. Все комплектующие — отечественного производства. Подготавливают их к сборке — полируют, гнут и разрезают, — в экспериментальном производстве ИЯФ, корпус делают в Технопарке. А сборка происходит непосредственно в нашей лаборатории. Одним только производством детекторов наше участие в проекте «Тайга» не ограничилось. Мы подключились к программе исследований широких атмосферных ливней, наши сотрудники задействованы в дежурстве на станции и проведении научных наблюдений, — объяснил заведующий лабораторией.
Евгений Кравченко рассказал, что на начальном этапе участники Тункинского эксперимента изучали космические лучи независимо от того, откуда они прилетели на Землю. Это заряженные частицы — протоны большой энергии, происхождение которых определить невозможно, поскольку траектория их полета искривляется вследствие воздействия на них со стороны магнитных полей, существующих в галактиках, нашей Солнечной системе. В то же время гамма-кванты, не имеющие заряда, от своей траектории не отклоняются, и ученые могут понять откуда они прилетели.
— Важно отличать атмосферный ливень, порожденный гамма-квантами, от того, который образован заряженными частицами. Часть наших детекторов располагается на поверхности, другие же закапывают в землю, поскольку требуется слой поглотителя, чтобы регистрировать мюонную компоненту, характерную для космических лучей с преобладанием заряженных частиц (протонов). Мюон достаточно легко проходит под землю, и поэтому, если у нас сработали подземные детекторы, мы знаем, что в этом случае скорее всего имел место атмосферный ливень из протонов. Гамма-квант рождает ливни немного другой природы - электромагнитные, где много электронов и позитронов, и других гамма-квантов меньшей энергии, а мюонов в них содержится очень мало. В этом случае верхние (наземные) счетчики срабатывают, а нижние нет. Мы создали здесь достаточно уникальную систему моделирования на стыке астрофизики и физики элементарных частиц. Благодаря разработанной нами программе моделирования, мы смогли найти оптимальное количество и расположение детекторов, чтобы максимально точно регистрировать атмосферные ливни различного происхождения, энергии и протяженности, — уточнил Евгений Кравченко.
Эксперимент «TAIGA» направлен на решение ряда фундаментальных астрофизических задач. Среди них — обнаружение источников космических частиц со сверхвысокой энергией, которой невозможно добиться на «земных» ускорителях, даже на Большом адронном коллайдере. Также ученые рассчитывают обнаружить процессы, свидетельствующие о возникновении и эволюции ранней Вселенной. Программа исследований также включает в себя ряд вопросов, относящихся к физике элементарных частиц, — поиск аксионов, исследование Лоренц-инвариантности при сверхвысоких энергиях.
