Сибирские ученые разработали детекторы космических частиц для гамма-обсерватории TAIGA в Бурятии. Они должны впервые зарегистрировать гамма-кванты энергией выше 100 ТэВ. Первые приборы уже отправлены в обсерваторию. Сейчас специалисты собирают вторую партию детекторов, работы планируется закончить к августу 2019 года.
Сборка детектора мюонов
Гамма-обсерватория TAIGA, или Тункинский эксперимент, находится в Бурятии на территории астрофизического центра коллективного пользования Иркутского государственного университета. Расположенные здесь установки — оптические станции, черенковский телескоп, радиоантенны, детекторы мюонов — измеряют компоненты атмосферных ливней. Одновременное использование разных типов детекторов повышает точность измерений, с помощью которых можно определить направление, энергию и тип космических лучей. Центр функционирует и одновременно продолжает строиться. Планируется, что это будет одна из крупнейших гамма-обсерваторий в мире.
Гамма-кванты интересуют ученых, в частности, потому, что можно достаточно точно определить, из какой части Вселенной они происходят. Они не имеют заряда, поэтому, в отличие от других часто прилетающих на Землю частиц высокой энергии — протонов, их не отклоняют ни межгалактические магнитные поля, ни магнитные поля планет Солнечной системы. Физики планируют найти возможные источники гамма-квантов сверхвысоких энергий и в будущем исследовать, каким образом ускоряются заряженные частицы в космосе.
Деталь детектора, которую окрестили «паук», — переизлучатели спектра
«Попадая в атмосферу Земли, и протоны, и гамма-кванты рождают сотни тысяч элементарных частиц. Это явление называется “широкий атмосферный ливень”. Есть два типа ливней: электромагнитный, вызванный гамма-квантами, и адронный, вызванный протонами или ядрами. От одной частицы с большой энергией на поверхности Земли “засвечивается” пятно диаметром несколько сотен метров. Если ливень “накрывает” черенковский телескоп, то прибор получает его изображение. По этой картинке можно отличить ливни от гамма-квантов и от адронов, — говорит старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН кандидат физико-математических наук Евгений Анатольевич Кравченко. — Однако когда энергии превышают 100 ТэВ, различить частицы таким оборудованием становится невозможно. И тут как раз должны помочь наши детекторы, которые регистрируют мюоны, — одни из частиц, прилетающих на землю с атмосферным ливнем».
Свет из переизлучателя
Часть детекторов планируется расположить на поверхности, часть — под землей, на глубине около 1,5 метров. «С адронным ливнем на Землю попадает гораздо больше мюонов, чем с электромагнитным ливнем от гамма-кварка. Мюоны, по сравнению с другими частицами, слабее всего поглощаются в веществе (в земле). Если мюоны зарегистрируют и наземные, и подземные счетчики, значит, это был адронный ливень от протонов, он нас в данном случае не интересует. А если сработали наземные детекторы, а под землей — тишина, то это электромагнитный ливень от гамма-квантов, и для таких событий мы будем строить картину небесной сферы», — объясняет Евгений Кравченко.
Герметизация кабеля
Перед учеными стояла задача сконструировать достаточно простые и недорогие мюонные счетчики. Во-первых, они должны эксплуатироваться в условиях, которых не выдержит капризная техника. Во-вторых, детекторов потребуется много, в перспективе — несколько сотен: гамма-кванты высоких энергий прилетают на Землю достаточно редко, следовательно, счетчики должны располагаться на обширной территории, чтобы увеличить вероятность зарегистрировать событие.
Одна из основных деталей счетчика — фотоэлектронный умножитель — регистрирует вспышки в сцинтилляторе от пролета частицы
Новосибирские физики разработали оригинальную конструкцию счетчика, с достаточно большой площадью детектора регистрации (сцинтиллятора) и небольшим фотоэлектронным умножителем — одной из самых дорогих частей установки. Практически все детали произведены в России: сцинтилляционная пластмасса — во Владимире, переизлучатели спектра — в Дзержинске, фотоэлектронный умножитель — в Москве, кабели — в Пскове, корпус — в технопарке новосибирского Академгородка. Обрабатывали сцинтилляторы и другие детали в ИЯФ СО РАН по собственным технологиям, окончательная сборка проходит в Новосибирском государственном университете.
Стенд для проверки мюонных счетчиков
Евгений Кравченко у осциллографа
В обсерватории TAIGA планируется установить три станции по 16 счетчиков (8 на земле, 8 под землей на каждой станции). Детекторы стоят в несколько раз дешевле зарубежных аналогов, кроме того, они гораздо проще в эксплуатации. «Сейчас в обсерватории используются итальянские счетчики, для них нужен особый “погреб”, куда периодически спускается специалист для их обслуживания. Наши установки — герметичные, без разъемов. Их можно просто засыпать землей, и, надеюсь, они будут работать годами», — говорит Евгений Кравченко.
Текст и фото Александры Федосеевой
