В поисках сверхновой

Младший научный сотрудник НИИ прикладной физики ИГУ, выпускник физического факультета Александр Пахоруков стал победителем конкурса грантов среди аспирантов и молодых ученых ИГУ в номинации «Физика и астрономия» с темой исследования «Измерение угловой чувствительности оптического модуля установки TAIGA-HiSCORE».

– В Тункинской долине, недалеко от села Торы, примерно в 50 километрах от озера Байкал располагается наш полигон…

С этих слов начал Александр. Начав издалека, молодой ученый словно сказку, просто и детально, раскрыл суть сложных вещей.

– Занимаемся мы изучением как космических лучей или заряженных элементарных частиц, так и гамма-квантов, по-другому, нейтральных частиц, очень высоких энергий. Мы регистрируем энергии, начиная от десятков ТэВ (эВ – электронвольт, единица измерения энергии, ТэВ - тераэлектронвольт = 10¹² эВ – прим.ред.) и выше. Приоритетной задачей является регистрация гамма-квантов, поскольку они, будучи электронейтральными, не отклоняются в отличие от заряженных космических лучей в магнитных полях, тем самым указывая направление на источник.

– Чем интересны области этих энергий?

– С помощью наземных ускорителей такие высокие энергии мы получить не можем, только в каких-то катастрофических явлениях вселенной, скажем, во время взрыва сверхновой звезды, частицы могут ускоряться до столь больших энергий. Регистрируя гамма-кванты, мы можем определять положение таких объектов, где происходит ускорение частиц. Однако, не смотря на то, что в последнее время гамма-астрономия активно развивается, и число зарегистрированных источников гамма-квантов постоянно растет, не зарегистрировано еще ни одного источника с энергией более 100 ТэВ. Наша установка нацелена на поиск источников в этой еще не изученной области. А, как известно, неисследованное всегда интересно.

– Для чего необходимо их изучение?

– Для того чтобы более подробно изучить физику высоких энергий. Несмотря на то, что изучение этих частиц происходит с прошлого века, до сих пор остается много вопросов, например, какие механизмы дают ускорение до такой энергии. Точных ответов пока нет.

– Возвращаясь к вышесказанному, с помощью установки TAIGA-HiSCORE Вы можете определить, откуда частицы пришли?

– Да, конечно. Вообще, как происходит регистрация частиц? Космические лучи, например, протон или ядра элементов, или гамма-кванты высокой энергии, попадая в атмосферу, взаимодействуют с ядрами атмосферных газов и рождают лавину частиц. Во взаимодействии рождаются другие частицы. Они, в свою очередь, либо взаимодействуют с атомами, либо распадаются, получается такой лавинный процесс, количество частиц растет. Взаимодействие происходит, скажем, на 30 километрах над уровнем Земли, и эта лавина развивается до высоты примерно 5 километров. Дальше количество частиц спадает, но, тем не менее, они доходят до Земли.

Отмечу, что непосредственная регистрация космических лучей и гамма-квантов возможна только за пределами атмосферы, так как атмосфера для них не прозрачна. Это можно осуществлять с помощью спутниковых и баллонных экспериментов. Однако с ростом энергии частиц поток сильно снижается и ограниченная площадь таких детекторов уже не позволяет набрать хорошую статистику, поэтому применяется косвенный метод регистрации с помощью наземных установок большой площади, которые фиксируют не сами частицы, а только продукты их взаимодействия с атмосферой, так называемые широкие атмосферные ливни.

Пример такой установки – TAIGA-HiSCORE, которая регистрирует черенковский свет, излучаемый заряженными частицами ливня, движущимися с субсветовой скоростью. Установка представляет собой сеть фотодетекторов, по-другому – оптических станций, расположенных в узлах квадратной решетки на площади в четверть квадратного километра. Они регистрируют время прихода светового фронта, форму импульса, амплитуду. Дальше мы восстанавливаем параметры ливня: направление прихода, координаты оси ливня, энергию и т.д. Тем самым, регистрируя гамма-кванты, мы с большой точностью можем определить из какой части Вселенной к нам пришли частицы.

– Александр, возвращаясь к теме Вашего исследования, расскажите, что такое оптический модуль и сама угловая чувствительность?

– Оптический модуль представляет собой фотоумножитель, укомплектованный, так называемым, конусом Винстона – устройством, позволяющим увеличить площадь светосбора в четыре раза. Угловая чувствительность является одной из важных характеристик установки, необходимых для корректного восстановления данных – она определяет область неба, доступную для наблюдения. Угловая чувствительность установки соответствует угловой чувствительности оптического модуля, обусловленной его конструкцией. В идеале он должен иметь одинаковую чувствительность от 0 до 30 градусов и нулевую чувствительность при больших углах. Но на практике возникают различные трудности. Так вот, в результате измерения угловой чувствительности мы хотим найти оптимальное положение фотоумножителя, тем самым улучшив параметры установки.

Вооружившись простым карандашом и листом бумаги, Александр наглядно показал, как работает модуль. Ученый уже на протяжении четырех лет занимается разработкой вышеуказанной установки, а именно руководит и непосредственно участвует в сборке, монтаже и т.д. Кроме того, в поле деятельности Александра решение задач по улучшению параметров, в т. ч. измерение чувствительности и временная калибровка.

– Уникальность нашего эксперимента заключается в том, что мы в одном месте имеем все типы установок, т.е. мы регистрируем почти все компоненты ливня. У нас располагаются два типа черенковских телескопов – узкоугольный телескоп с анализом изображения и широкоугольные детекторы; наземные детекторы, которые регистрируют заряженные частицы; и подземные, регистрирующие мюоны, а также радиоантенны, регистрирующие радиоизлучение. Это позволяет проводить взаимную калибровку между установками, применять разные методы регистрации и получать более полную информацию.

– И, в заключение, расскажите, куда пойдут средства гранта?

– Как я уже говорил, в настоящее время гамма-астрономия очень активно развивается. В рамках проекта TAIGA планируется совместная работа сети узкоугольных телескопов и широкоугольной черенковской установки TAIGA-HiSCORE. В будущем планируется поставить около 16 узкоугольных телескопов и около 500 оптических станций. Поэтому сейчас грант пойдет на то, чтобы усовершенствовать разработки и оборудовать место под эксперименты, где будет проведена серия измерений угловой чувствительности оптического модуля.

Наталья Матвеева

Управление информационной политики ИГУ