Два больших эксперимента на Байкале

Университет, школа, эксперимент...

Юля Казарина (НИИ ПФ ИГУ) прошла все "стадии взросления" молодого ученого. Впервые приехала на эту школу студенткой-второкурсницей, делала первый доклад по своим исследованиям, затем была в составе оргкомитета, а прошлом году приглашалась как лектор. И теперь еще один этап - рассказывает о своем пути в науке для нашей газеты.

На Байкальской школе укрепилось мое желание остаться в науке, появилась заинтересованность. Здесь можно увидеть ведущих ученых мира, пообщаться с ними, спросить, как они живут, насколько их вдохновляет наука, международные проекты.

Я закончила физфак ИГУ в 2011 году, и мне предложили пойти в аспирантуру по развивающемуся направлению - регистрация радиоизлучения широких атмосферных ливней космических лучей, поскольку планировалось, что в Тункинской долине будут ставить антенны. В 2011 году я устроилась инженером в НИИ прикладной физики ИГУ, и в 2012 году уже началась работа на установке. То есть я участвую с самого начала эксперимента. Ездила в Германию, где обсуждали план развертывания, занималась моделированием радиоизлучения ШАЛ, участвовала в дежурствах, когда идет набор данных, в развертывании установки (мы непосредственно вешали антенны, закапывали кабели) и в обработке данных.

Обсерватория в Тункинской долине называется TAIGA, она основана на базе черенковской установки Тунка-133. В 90-х годах был создан первый прототип установки Тунка-4 (цифра означает количество оптических модулей, соответственно возрастает с развитием установки). TAIGA - это научный комплекс, нацеленный на две задачи. Первая - исследование космических лучей в области сверхвысоких энергий, 10¹⁵-10¹⁸ электронвольт. И вторая - гамма-астрономия, при более низких энергиях. Исследуется большой энергетический диапазон, и нужно разделить инструменты.

Когда частица сверхвысокой энергии попадает в атмосферу Земли, образуется широкий атмосферный ливень (ШАЛ), состоящий из миллиона частиц, но до поверхности Земли доходят преимущественно электроны, протоны, мюоны, гамма-кванты и другие частицы, а также образуется радио- и черенковское излучение. Количество заряженных частиц может быть зарегистрировано сцинтилляционными станциями, также можно измерить радиоизлучение ШАЛ с помощью антенн и черенковское излучение с помощью ФЭУ. В 2012 году при поддержке российско-немецкого гранта РФФИ и HAP было предложено развернуть установку Тунка-Rex для регистрации радиоизлучения ШАЛ. Немецкие специалисты привезли свои антенны и установили в Тункинской долине. Для антенн необходим триггер, потому что мы пока не научились выделять радиосигналы от ШАЛ. Черенковская установка может дать триггер, но она работает только в ясные безлунные ночи - всего 5-10% от возможного времени работы установки, примерно 500 часов в год. Антенны же могут работать круглосуточно. Чуть позже из Германии привезли сцинтилляторы, передали нам в пользование. То есть в Тунке развернули еще и сцинтилляционную установку, которая работает круглосуточно. В данный момент у нас есть комплекс из трех установок, измеряющий черенковский свет, количество частиц и радиоизлучение от одного и того же ливня, то есть для одного ШАЛа мы можем измерить несколько характеристик.

Гамма-астрономия сейчас одно из самых перспективных направлений исследований. В 2012 году, помимо антенн, поставили еще черенковскую установку Тунка-HiSCORE. Если оптический модуль установки Тунка-133 состоит из одного ФЭУ, то станция Тунка-HiSCORE состоит из четырех ФЭУ, каждый из которых помещен в конус Винстона, чтобы увеличить чувствительность и намного понизить порог регистрации для изучения гамма-квантов от ШАЛа. Происходит поэтапное развертывание установки, в прошлом году было установлено около 50 станций, в этом году хотят увеличить площадь Тунка-HiSCORE в два раза. В прошлом году начал работать телескоп, который собирается всем миром, - у нас в коллаборации 18 институтов из разных стран, в основном из Германии, Италии, России.

Сама обсерватория находится в 150 км от Иркутска, это примерно 3 часа езды на машине. По дороге к ней мы проезжаем самую южную точку Байкала - поселок Култук, и оттуда 50 км в сторону монгольской границы. Приехав на полигон, мы видим… естественную среду обитания для коров - поросшую травой равнину. Присмотревшись, можно увидеть детекторы космических лучей, черенковскую установку на площади 3 кв. км. Видны сначала внешние кластеры установки Тунка-133, антенны радиоэксперимента Тунка-Rex, корпуса из оцинкованного металла, в которых находится сцинтилляционная установка. Причем сцинтилляторы находятся как под землей, так и над землей. В этих ангарах сцинтилляторы регистрируют заряженную компоненту ШАЛ. А под землей, под двухметровым слоем грунта, измеряют количество мюонов, поскольку только мюоны пробивают землю.

Работы по ремонту и обслуживанию установки происходят в основном в летний период, а зимой только дежурства, поскольку бывает очень холодная погода минус 40-45 градусов. Во время дежурства все зависит от того, какие установки работают. Если это ясные безлунные ночи, то работают черенковские установки. Запуск их намного сложнее, чем сцинтилляционной - нужно на всех модулях поднять крышки, когда уйдет солнце, чтобы не сгорели фотоумножители, проверить, все ли работает. Набор данных длится от 2 до 10 часов. Когда ночь заканчивается, нужно обязательно опустить крышки. Бывает, что одна крышка не поднялась, приходится бежать, делать это вручную. Со сцинтилляционной установкой все проще - раз в сутки запускаем, и пока за сутки идет набор данных, мы смотрим, чтобы не было ошибок, чтобы были чистые данные. Бывает, что где-то происходит перегрев и нужно перезапустить процесс или открыть крышку на станции, чтобы охладить ее..

Фото из презентации Д.Г.Костюнина.