Проекты XXI века

Объединенный институт ядерных исследований совместно с другими российскими и зарубежными организациями принимает участие в проведении двух космических экспериментов на искусственных спутниках Земли, включенных в федеральную космическую программу России на ближайшие годы. Об одном из них - наш сегодняшний рассказ.

В эксперименте ТУС-КЛПВЭ будут исследоваться космические лучи предельно высокой энергии (КЛПВЭ): протоны, ядра, фотоны и нейтрино с энергиями 1019-1020 эВ. Такую кинетическую энергию имеет килограммовая гиря, падающая с высоты нескольких метров.

Существование таких частиц представляется совершенно особым явлением, которое довольно трудно объяснить. В 1964 году американским ученым - будущими лауреатами Нобелевской премии А.А.Пензиасом и Р.В.Вильсоном - было открыто реликтовое микроволновое излучение, соответствующее излучению черного тела при температуре 2,73oK, которое предсказывается теорией образования Вселенной в результате Большого Взрыва.

Вскоре после этого, в 1966 году советские исследователи З.Т.Зацепин и В.А.Кузьмин и, независимо, американский ученый К.Грейзен обратили внимание на то, что частицы с энергией выше 5*1019 эВ должны заметным образом взаимодействовать с реликтовыми фотонами и поэтому терять свою энергию на долгом пути от их источников в удаленных галактиках до детекторов на Земле. С тех пор в астрофизике появилось новое понятие - GZK-обрезание (по первым буквам имен вышеуказанных ученых). То есть от очень удаленных галактик и звезд к нам не могут приходить частицы такой большой энергии.

Тем не менее, такие частицы обнаружены, но их чрезвычайно мало - менее одной на квадратный километр в столетие. Поэтому за все время проведения экспериментов на наземных установках АГАСА в Японии, "Глаз Мухи" в США, якутской установки в России и других измерено только два десятка таких событий. Имеющиеся данные о существовании суперэнергичных частиц могут быть объяснены либо существованием сравнительно близко расположенных астрофизических объектов (десятки мегапарсек) - ускорителей таких частиц, находящихся в нашей Галактике или в галактиках, принадлежащих местному скоплению, либо "высыпанием" частиц "великого объединения" с массой 1024 эВ, из так называемых "топологических дефектов", предсказываемых в космологической теории. Тем самым ставится вопрос о существовании нового альтернативного механизма образования космических лучей ультравысокой энергии - путем распада супермассивных частиц, предсказываемых теорией "великого объединения" и оставшихся после Большого Взрыва.

Из известных данных о межзвездных магнитных полях следует, что направления прихода таких КЛПВЭ будут довольно точно указывать на положение их "недалекого" источника. Однако экспериментально такие источники не были найдены, более того, угловое распределение суперэнергичных частиц в северном полушарии Земли, где расположены все работающие в настоящее время детекторы, изотропно, то есть равномерно.

Таким образом, обнаружение в космических лучах событий с энергией выше порога GZK-обрезания создает основу для различных теоретических толкований, в том числе связывающих указанные астрофизические явления с существованием гипотетических частиц за рамками Стандартной модели физики элементарных частиц. Теоретически вероятными источниками КЛПВЭ являются активные ядра галактик и галактики, сталкивающиеся с релятивистскими струями вещества.

Поэтому одной из наиболее актуальных экспериментальных проблем современной астрофизики является более обстоятельное исследование КЛПВЭ - с энергией более 1019 эВ. С этой целью в настоящее время проектируются и создаются ряд новых детекторов - как наземных, так и орбитальных, в том числе детектор ТУС. Изучение КЛПВЭ прямыми методами невозможно - слишком слаб их поток, поэтому на всех существующих и вновь создаваемых детекторах исследуются широкие атмосферные ливни (ШАЛ) или потоки многочисленных вторичных частиц, образующихся в атмосфере Земли под воздействием КЛПВЭ. Главная особенность создаваемых наземных и космических детекторов нового поколения - в большой площади атмосферы, в которой будет возможно наблюдение и измерение ШАЛов, что позволит в десятки раз увеличить скорость набора статистических данных по сравнению с нынешними установками.

Детектор ТУС, о котором пойдет речь ниже, является прототипом более мощного и эффективного детектора КЛПВЭ. ТУС представляет из себя разворачивающееся на орбите зеркало диаметром около 1.5 м, так называемое параболическое зеркало Френеля, в фокусе которого находится плоская матрица из 256 (16x16) фотоумножителей. В эксперименте ТУС будут проверены технические принципы измерения ШАЛ из космоса и набрана статистика, в 2-3 раза превышающая ныне существующую. С помощью измерения флюоресцентного и черенковского излучения ШАЛ, инициированного космическими частицами, будет определятся энергия и тип первоначальной частицы, а также ее направление. Предполагаемое время пуска на орбиту в составе создаваемого в Самаре спутнике "Ресурс-О1" - 2005-2006 г. С высоты 500-700 км будет просматриваться гораздо большая площадь атмосферы - примерно 100х100 кв. км и в более благоприятных фоновых условиях, чем это возможно на Земле. Измерения детектором ТУС позволят различать протоны и ядра КЛПВЭ от фотонов и нейтрино. В отличие от имеющихся в настоящее время данных от наземных расположенных в северном полушарии Земли установок, появляется возможность глобального измерения событий КЛПВЭ.

В настоящее время начата практическая работа по подготовке эксперимента ТУС. Д.В.Наумов (ЛЯП) совместно с физиками из НИИЯФ МГУ создает программы моделирования процессов образования ШАЛ и условий их измерения из космоса. В ОП ОИЯИ и аэрокосмическом КБ "Луч" в Сызрани создается пресс-форма для изготовления из углепластика модулей зеркала Френеля, которое должно работать в условиях открытого космоса при перепадах температур от -150 до +150oС. В этой работе активно участвуют Б.М.Сабиров и М.Фингер (ЛЯП), И.И.Скрыль (ЛИТ) и А.Б.Карпов из КБ "Радуга". На более поздних стадиях изготовления зеркала предполагается участие фирмы КОМПАС из Турнов в Чешской Республике. В корпорации "Энергия" в Королеве создается система развертывания зеркала на орбите.

Пользуясь, случаем, хотел бы выразить благодарность руководству ОП В.И.Данилову и П.М.Былинкину, а также руководителю ОП ЛЯП В.Г.Сазонову, которые обеспечили благоприятный режим по выполнению наших работ. Кроме того, ОИЯИ отвечает также за бортовой компьютинг, включающий в себя выбор и обеспечение работы бортового компьютера, в функции которого входит прием, контроль и фильтрация информации, поступающей с детекторов, и передача ее в наземный центр, а также контроль и управление работой основных узлов установки. В этой работе участвуют сотрудники ЛЯП В.М.Гребенюк, Нгуен Ман Шат и М.Слунечка, а также сотрудники других лабораторий Р.Н.Семенов (ЛНФ), Н.С.Заикин и А.С.Щуренков (ЛИТ). В НИИЯФ совместно с мексиканскими университетами проводится изготовление фотодетектора: выбор и испытания фотоумножителей, создание электроники для считывания информации. В недалеком будущем планируется проведение наземного комплексного теста всей аппаратуры в высокогорном эксперименте в Мексике.

Как и в других новых проектах ОИЯИ, выполнение проекта ТУС замедляется недостаточным финансированием на проведение работ и закупки нового научного оборудования. Выручает федеральная программа. Кроме того, к участию в данном проекте проявляют интерес новые зарубежные центры из США, Франции и Южной Кореи, и мы рассчитываем на приток новых поступлений и современной аппаратуры.

Л.ТКАЧЕВ,
руководитель проекта ТУС;
фото Юрия ТУМАНОВА