Загадки, достижения и практическое применение космических лучей
Космические лучи – это протоны и ядра, энергия которых простирается до 1020 эВ, что существенно выше, чем энергия частиц, достигнутая в земных ускорителях. Несмотря на то что со времени открытия космических лучей прошло уже более 100 лет, их происхождение так до конца и не понято. В последние годы в поиске и исследованиях астрофизических укорителей частиц большую роль играет гамма-астрономия и нейтринная астрофизика.
Тематика конференции включает в себя обсуждения как этих фундаментальных вопросов, связанных с происхождением космических лучей, так и влияние космических лучей на атмосферные процессы и климат.
Организатором выступил Объединенный институт ядерных исследований. Научные мероприятия и заседания проходили в дубненском филиале МГУ имени М. В. Ломоносова.
Мы поговорили с председателем программного комитета профессором НИИЯФ МГУ Леонидом Александровичем Кузьмичёвым и главным научным сотрудником НИЯУ МИФИ Анатолием Афанасьевичем Петрухиным, многолетними участниками и организаторами конференции.
Расскажите об истории ВККЛ. В этом году 39‑я конференция, хочется вспомнить об истоках.
Л. К.: Первая Всероссийская конференция по космическим лучам прошла в 1962 году в Якутске. Инициатива по организации и созданию принадлежит академику Сергею Николаевичу Вернову, который был лидером в этой области. Тогда она называлась Всесоюзной и проходила в различных городах СССР. К сожалению, в 1992 году в Самарканде была последняя выездная конференция на дальних дистанциях. С тех пор они проводятся только в России и по финансовым соображениям концентрируются в Москве или недалеко от нее. Стало сложно и дорого собираться где‑то еще. Тем не менее мы стараемся, чтобы конференции меняли локацию. Обычно их проводят институты, которые активно занимаются физикой космических лучей, например МИФИ, ФИАН, НИИЯФ МГУ. И вот Дубна, в которой сравнительно недавно появилась группа исследователей под руководством Леонида Григорьевича Ткачёва, полтора года назад ушедшего из жизни.
Благодаря его активности дубненские физики участвовали в эксперименте НУКЛОН – исследовании галактических космических лучей на искусственном спутнике Земли. В эксперименте ТУЗ, который на спутнике «Ломоносов» регистрировал флуоресцентное излучение от космических лучей сверхвысокой энергии. Потом группа заинтересовалась работами в Тункинской долине и вошла в состав коллаборации Тунка – TAIGA. И еще одна линия исследований в области космических лучей – это нейтрино высоких энергий. ОИЯИ играет важнейшую роль в создании на озере Байкал уникального глубоководного нейтринного телескопа Baikal‑GVD. Поэтому Институт согласился провести конференцию в Дубне в этом году. Организационный комитет конференции возглавил директор ЛЯП Е. А. Якушев.
С какой регулярностью проходит конференция?
Л. К.: Один раз в два года. Можно сказать, что мы проводим ее по четным годам. А по нечетным годам Анатолий Афанасьевич проводит в МИФИ симпозиум ISCRA. По масштабу симпозиум несколько меньше, но, тем не менее, это основные собрания, которые проводятся по космическим лучам. Еще независимо в Дубне в филиале МГУ регулярно проводится конференция имени Михаила Игоревича Панасюка. Он был директором НИИЯФ МГУ и председателем Совета по космическим лучам РАН. Конференция посвящена космофизике: космическим лучам солнечного происхождения, всем процессам, которые происходят в магнитосфере земли.
Можно ли проследить активность участников за большой период существования мероприятия?
А. П.: В 90-е годы вышли из участия страны содружества. Космические станции были в основном в союзных республиках: Армении, Грузии, Казахстане, Узбекистане, Таджикистане. Поэтому раньше они активно участвовали, и конференции проводились во времена Советского союза в разных местах. Также в 90‑е годы количество молодежи стало уменьшаться. Потому что в научных организациях не было ни перспектив, ни приличной зарплаты. Но потом, невзирая на все трудности, интерес стал расти. И в этом году молодых участников очень много.
Л. К.: Оргкомитет позволил студентам и аспирантам участвовать без оргвзноса. Чтобы не снимать гостиницу, есть возможность заселиться в общежития филиала МГУ и университета «Дубна». Можно приехать на один день. То есть участие студентов и аспирантов сделано максимально доступным. Поэтому их действительно в этом году много, и, на мой взгляд, студентами сделаны интересные доклады, что приятно. У Анатолия Афанасьевича в его центре НЕВОД просто кузница молодых специалистов для космических лучей. И надо понимать, что молодежь всегда привлекают новые достижения. Сейчас эксперимент Baikal‑GVD – это лидер мирового уровня. И в этом эксперименте наблюдается рост участия молодых физиков.
Заявлено 268 человек и более 20 научных организаций, откуда больше всего представителей? Насколько активно участвует ОИЯИ?
Л. К.: МГУ, МИФИ, ИЯИ – как правило, эти три центра. Обязательно ФИАН, ИЗИМИРАН, но от них поменьше. В этом году было много докладов от ФТИ имени А. Ф. Иоффе из Санкт‑Петербурга. Приезжают с интересными докладами физики из Сибири: Иркутска (ИГУ и ИСЗФ), Якутска (ИКФИА), Барнаула (АГУ). ОИЯИ очень активно участвует – помимо того, что он организатор, сотрудниками подготовлены 20 докладов.
Какие темы освещаются на конференции в этом году, какие вопросы поднимаются?
Л К.: Конференция имеет шесть направлений. Первое: первичные космические лучи – это космические лучи с энергией меньше 1 ПэВ (1015 эВ). Такие частицы можно изучать космическими аппаратами. По ним были сделаны экспериментальные и теоретические доклады. Второе: космические лучи высоких энергий, выше 1 ПэВ. На эту тему было много докладов по нашим установкам. Был докладчик из Китая, который рассказывал об их достижениях. Сейчас существенный вклад внесла китайская установка LHAASO, расположенная на высоте 4 300 метров над уровнем моря в Тибете.
Третье направление: мюоны и нейтрино. В это направление входит глубоководный эксперимент Baikal‑GVD. Многолетним координатором этого направления на нашей конференции является Анатолий Афанасьевич Петрухин, который руководит наземным нейтринным детектором НЕВОД.
Четвертое направление: космические лучи от Солнца, как они рождаются и как их регистрировать. Пятое: космическая погода, мы следим за потоком космических лучей, если вдруг он понизился, значит на Солнце произошла буря. От Солнца оторвался кусок – миллиард тонн плазмы, который летит в пространстве, и он мешает космическим лучам попасть на Землю. По темпу счета космических лучей мы можем увидеть, что кусок летит к Земле. Когда он врывается в атмосферу, то меняет магнитные поля и мешает радиосвязи. Одно из таких событий произошло в 19‑м веке, когда все телеграфы перестали работать. А в Северной Америке вышла из строя электрическая сеть. Это грандиозное явление. Шестое: космические лучи и геофизика. Тоже нетривиальные вещи. Мы пытаемся понять, как образовываются грозы. До сих пор мы не знаем, как образуются молнии. Одно из предположений, что космические лучи высокой энергии инициируют молнию. В частности, ионизация атмосферы – это тоже космические лучи.
Какие важные доклады были представлены?
Л. К.: Были представлены новые результаты по эксперименту TAIGA. В частности, я представлял по спектру, массовому составу и гамма-астрономии. Очень интересный доклад сделал начальник установки Игорь Анатольевич Белолаптиков по байкальскому эксперименту и перспективам его развития. Прежде всего, эксперимент достиг такого уровня технологии, что участники могут в течение ледового сезона разворачивать установку большого числа фотоприёмников. В этом сезоне было установлено около 700 оптических модулей. Это невероятный масштаб. Когда то я участвовал в эксперименте на Байкале, и мы за сезон могли установить только 20‑30 модулей. Технологический скачок произошел и по качеству оптических модулей, и по всей глубоководной технике – они стабильно работают. Плюс получены интересные результаты. Выделены нейтрино космического происхождения. Есть отдельные события, которые можно интерпретировать как события от астрофизических ускорителей частиц. Совершенно невероятные планы на будущее. Есть развитие в рамках России и в рамках взаимодействия с Китаем. В мире сейчас два нейтринных телескопа, которые достигли размера в один кубокилометр.
А. П.: Вы знаете, что такое кубокилометр? 109 тонн воды. Километр вверх, вперед и вбок. Вроде небольшой кубик получается. А как вы думаете, если всех людей на Земле собрать в одну кучку, то в какой объем они поместятся? Расчет здесь очень простой. Если в среднем в объем 100 литров поместится человек и каждому из семи или восьми миллиардов – выделить 100 литров, то получится 0,7 или 0,8 кубических километра. Вот сейчас установка Baikal‑GVD имеет объем 0,8 и туда можно собрать всех людей, живущих на Земле, они даже не будут тесниться как селедки в банке, смогут спокойно шевелиться.
Американцы уже сделали во льду Антарктиды кубический километр, на Байкале осталось чуть-чуть. 0,8 и единица – это примерно одно и то же. Обсуждается увеличение объема детектора до 7‑8 кубических километров. Американцы собираются из кубического километра сделать десять. А Китай предложил сразу тридцать.
Л. К.: Еще важная тема – мы до конца не понимаем происхождение космических лучей. В 60‑е годы академик Гинзбург выразил предположение, что большинство космических лучей рождаются при взрывах сверхновых звезд. Последние исследования в гамма-астрономии показали, что энергия космических лучей, которые рождаются в сверхновых, не позволяет достичь уровня в 1 ПэВ. При такой энергии меняется энергетический спектр космических лучей. Сейчас это одно из главных направлений исследований в области гамма‑астрономии и физики нейтрино. На конференции было сделано много докладов от теоретиков. Большой доклад от академика А. М. Быкова из Санкт‑Петербурга и его молодых коллег, доклад В. Н. Зиракашвили от ИЗМИРАН.
Есть еще один аспект, который надо упомянуть – это мюонная загадка. Официально термин появился в 2014 году. Когда мы изучаем массовый состав космических лучей, сколько содержится протонов, ядер гелия, железа, то в области очень высоких энергий происходят чудеса. Мы можем изучать массовый состав методом флюоресцентного излучения. А можем изучать по регистрации количества мюонов в широком атмосферном ливне. Загадка в том, что если мы будем определять массовый состав по флюоресцентному свету, то он будет легкий. А если будем изучать по мюонам, то он оказывается тяжелый. Откуда‑то берутся лишние мюоны. Уже придумано множество вариантов объяснений. Этим вопросам тоже было уделено значительное время на конференции.
С какими зарубежными коллаборациями сейчас поддерживается сотрудничество?
Л. К.Сейчас из России часть стран-участниц ушли. В эксперименте TAIGA было много сотрудников из Германии, но они заморозили свое участие. Возрастают контакты с Китаем. Активно сотрудничает с Китаем байкальский эксперимент. Отдельные группы, например из Института ядерных исследований, участвуют в работе установки LHAASO в Китае. Сохранилось участие в американо-японской коллаборации Telescope Array.
Есть ли практическое применение знаниям о космических лучах?
А. П.: Космические лучи играют очень важную роль. Вся наша жизнь на Земле зависит от Солнца. А Солнце – это реактор, там бывают мощные взрывы, в результате которых вырывается облако плазмы, и если оно летит в сторону Земли, то может возникнуть магнитная буря, погода испортится и многое другое. Тут возникает интересный момент. За Солнцем следят обсерватории, соответствующие телескопы, любая вспышка на Солнце фиксируется мгновенно. Но в них вы не видите направление, а только выброс в сторону. Есть методы, которые вычисляют, под каким углом идет движение. И вот говорят: произошло событие класса Х, очень большое, направлено в сторону Земли, значит, ожидаются мощные магнитные бури. Объявили, а бури нет. В чем проблема? В том, что при существующей системе определить точно угол невозможно. А представьте, если вы ошиблись на один градус. Это маленькая цифра, но так как расстояние большое, то мы получаем погрешность размером в 2,5 миллиона километров. Поэтому возникает вопрос, как узнать летит ли к Земле плазменное облако? И космические лучи в этом как раз помогают. Если летит, то в нем магнитные поля отклоняют частицы, и мы видим провал в потоке космических лучей. Так как Земля крутится, а плазма летит двое‑трое суток до Земли, значит, мы увидели сначала убыль потока, если через сутки убыль исчезла, значит, плазма летит куда‑то в сторону. А если летит к нам, то убыль становится сильнее. И это предсказание лежит в основе космической погоды.
Мария КАРПОВА,
фото Елены ПУЗЫНИНОЙ