У ОИЯИ есть возможность включиться в исследования космических лучей сверхвысоких энергий

На 81-й сессии Ученого совета ОИЯИ, состоявшейся 16-17 января 1997 года, был заслушан доклад М. И. Панасюка (Институт ядерной физики МГУ) «Перспектива исследований космических лучей высоких энергий на искусственных спутниках Земли в 21-м веке», по которому было принято решение: «Продолжить изучение возможных путей для стран-участниц принять участие в астрофизических исследованиях в 21-м столетии».

Еще 20-30 лет тому назад казалось, что у физиков, изучающих мир элементарных частиц, не будет серьезных проблем. И вот на пороге X X I века мы столкнулись с чисто финансовыми проблемами - на строительство гигантских ускорителей элементарных частиц, способных сообщить частицам энергии в десятки ТэВ, ни в США, ни в России денег нет. Объединенная Европа (ЦЕРН) сооружает Большой Адронный Коллайдер (Large Hadron Collider - LHC) - сверхпроводящем кольце длиной 27 километров (ранее созданном для изучения электрон-позитронных соударений) для обеспечения протон-протонных столкновений с энергией в системе центра масс 14 ТэВ, что эквивалентно в лабораторной системе координат энергии протона 10¹⁷ эВ, налетающего на покоящийся протон, то есть сверхвысоким энергиям космических лучей (соотношение между энергией протона в системе центра масс Е_ц.м. и энергий протона в лабораторной системе Е_л имеет вид: 2Е² _{ц.м. = Ел Мс}² , где М - масса протона, с - скорость света). В этом кольце будет установлено четыре огромных экспериментальных установки: ALICE, ATLAS, CMS, LHC-B, в создании которых принимают участие также ученые ОИЯИ.

Установки ATLAS и CMS предназначены для изучения р-р столкновений, на установке ALICE будут изучаться ядро-ядерные столкновения, а установка LHC-B предназначена для исследования природы В-мезонов (В-физика). Но завешение создания LHC запланировано на 2006 год и, естественно, эксперименты на этом ускорителе начнутся не ранее 2006 года. В течение примерно 10 лет у физиков не будет частиц с энергией больше 10¹² эВ, полученных на ускорителях, и единственный путь изучения свойств микромира в этой очень высокой области энергии - обращение к космическим лучам.

Недостатки экспериментов с космическими лучами хорошо известны. Это - низкая интенсивность потока космических лучей, трудности с определением точки взаимодействия космической частицы с ядром какого-либо вещества на Земле, трудности с определением энергии налетающей космической частицы и определения направления ее полета.

С какой-то степенью точности все эти проблемы решаются, но интенсивность космических лучей ученые изменить не могут и должны довольствоваться такой, какая есть в природе. Поток первичных космических лучей, приходящих на Землю, состоит, в основном, из протонов (более 90 процентов), альфа-частиц (около 70 процентов) и ядер тяжелых элементов (примерно 1 процент). Интенсивность космических лучей резко уменьшается с ростом их энергии: при энергии 10¹⁵ Эв на Землю приходит 1 частица на 1 км² в 1 сек., в 1 стерадиан, при энергии 10¹⁶ эВ приходит 1 частица на 10 км² в 1 сек., в 1 стерадиане и при энергии 10¹⁷ эВ приходит 1 частица на 100 км² в 1 сек., в 1 стерадиане. За последние 35 лет космических наблюдений видели около десятка частиц с энергией 10²⁰ эВ, то есть примерно 1 случай на квадратный километр в столетие.

Наивысшая энергия космических частиц, когда-либо наблюдавшаяся, равна 3 • 10²⁰ эВ. Она была зарегистрирована в 1991 году.

Несмотря на столь редкие события, мировое сообщество ученых сейчас обращает пристальное внимание именно на эти ультравысокие энергии. Планируемый в настоящее время Оже-проект (АI P ), руководство которым в последнее время перешло к лауреату Нобелевской премии Дж. Кронину, грандиозен по своим масштабам. Посудите сами. В коллаборации «Проект Пьера Оже» будут принимать участие ученые из 40 институтов 19 стран. Космическая частица (например, протон) с энергией 10²⁰ эВ в результате столкновений с ядрами воздуха порождает в земной атмосфере «ливень» частиц, который может содержать около 10¹¹ вторичных частиц (как правило, электронов и позитронов с энергиями 10⁸ Эв и около 10 процентов мюонов от общего числа частиц с энергиями 10⁹ Эв). «Ливень» в горизонтальном сечении может занимать площадь диаметром около 4 км. Для регистрации подобных, гигантских по площади, ливней создаются две огромные установки. Одна будет расположена в штате Юта (США) для наблюдения за северной частью неба, вторая, идентичная, - в высокогорной пустыне в Западной Аргентине, чтобы вести наблюдение за южным небесным полушарием. Каждая из установок будет содержать по 1600 водяных черенковских счетчиков, расположенных на площади 3000 км² . Таким образом полный Оже-проект - это 3200 черенковских счетчиков, расположенных на площади 6000 км² , каждый из которых содержит 12 тонн воды. В лучшем случае будет регистрироваться в год около 30 частиц с энергией выше 10²⁰ эВ. Полная стоимость проекта равна 100 млн. долларов.

Во имя каких научных целей тратятся эти средства и усилия?

Интенсивность космического потока, его энергетический спектр, временные вариации интенсивности космических лучей могут влиять на микро-электронные системы, а, значит, на полеты самолетов и спутников, на человека в космосе, на жизнь на Земле (например, влияние на генетику, болезни растений и животных) и т.д. Но все это с точки зрения ученых лишь проблемы прикладного характера.

Есть проблемы научно-теоретического характера. Имеющиеся современные экспериментальные данные указывают на то, что, начиная с энергий 10¹⁹ эВ интенсивность потока космических лучей становится постоянной. Предполагается, что эти ультраэнергетические частицы идут от галактик, лежащих за пределами Млечного пути. Галактическое магнитное поле слишком слабо, чтобы удержать протоны выше 10¹⁹ эВ. Теоретики могут объяснить, почему не должно быть энергией больше 10¹⁹ эВ. Но так как экспериментаторы видят частицы с энергиями 10¹⁹ эВ, то надо придумывать новые экзотические источники ультравысоких энергетических космических лучей, что в конечном виде может привести к модификации наших представлений о возникновении Вселенной, то есть изменению гипотезы Большого Взрыва.

Теоретики считают, что частицы с энергиями выше 10²⁰ эВ не могут сохранять свою энергию более, скажем, нескольких сот световых лет. Это из-за того, что такие частицы потратили бы свою энергию на рождение пи-мезонов в космосе при соударениях с фотонной фоновой радиацией, существующей всюду в космосе при температуре 2.7^о по Кельвину (с реликтовым излучением). Космический пришелец с энергией 3 • 10²⁰ эВ не мог путешествовать более чем 150 млн. световых лет, даже если бы начал свое путешествие с энергией 10²² эВ. Следовательно, источник находится где-то в пределах наблюдаемой с Земли «окрестности». Поскольку при столь высоких энергиях микрогауссово магнитное поле нашей Галактики не очень сильно отклоняет траекторию частицы от прямолинейной, есть возможность определить, в какой точке небесной сферы расположены столь мощные источники космических лучей. Это - одна из целей «Оже-проекта». Не менее важным является поиск механизма ускорения космических лучей до ультравысоких энергий.

Изучение конфигурации ливней даст ответ на характер взаимодействия ультраэнергетических частиц с ядрами вещества. В этом отношении важными будут исследования космических ливней в интервале энергий 10^{14 - 1017} эВ, которые должны «стыковаться» с исследованиями в области энергий космических лучей более 10¹⁷ эВ. Но в области энергий до 10¹⁷ эВ у Дубны есть шанс внести свой вклад в научные исследования.

Для этих целей предлагается использовать новую, ранее не применявшуюся методику с использованием излучения Вавилова-Черенкова и фотографической регистрацией. Такой методикой одним из авторов (В. П. Зреловым) в лабораторном помещении зарегистрирован уникальный случай ствола редчайшего ливня с числом частиц около 10¹⁰ , возникшего от космической частицы с энергиями порядка 10¹⁹ эВ (10⁷ ТэВ). В Лаборатории ядерных проблем, в НЭОФПЭ, для целей регистрации подобных ливней уже задействован прототип большого черенковского растрового телескопа. Однако площадь его мала (около 0,5 м²), и с его помощью можно регистрировать приблизительно один ливень в год с число частиц 10⁶ и энергией 10¹⁶ эВ (10⁴ ТэВ). Если создать подобный черенковский телескоп с площадью 50 м², он сможет регистрировать в среднем один случай в неделю. Первая очередь такого детектора может быть создана в ОИЯИ в кратчайшие сроки при сравнительно небольших затратах (50 млн. рублей в год - в ценах 1997 года), так как здание, в котором может быть размещена установка в ОИЯИ, есть - это низкофоновая лаборатория для электромагнитных измерений, построенная Б. С. Негановым, которую он предоставляет для этого эксперимента.

Таким образом, речь идет о создании в ОИЯИ своеобразной малозатратной «черенковской обсерватории ливней космического излучения сверхвысоких энергий» («ЧОЛКИ СВЭ»), которая позволила бы вести непрерывные систематические и длительные (годами) исследования таких характеристик ливней, как частота их появления на уровне моря, их энергий (по числу частиц в стволе), направленность, их пространственная структура («ствольность», «бинокулярность» и особенно важно недавно обнаруженная «веерообразность»), а также регистрировать всякого рода «экзотические явления».

Эта новая методика в чем-то сродни обычным астрономическим телескопам, так как позволяет вести наблюдения за космическими ливнями и накапливать информацию с документальной (фотографической) фиксацией событий, создавая таким образом архивные данные, которые могут представлять большой интерес и для будущих поколений исследователей. Такие обсерватории (в этом можно верить) будут возникать во всех странах, ведущих исследования космических лучей. Мы думаем, что подобные исследования могут быть начаты в ОИЯИ уже в следующем году.

Важно также отметить, что методика «ЧОЛКИ СВЭ» в малогабаритном варианте (с использованием сверхлегких аэрогелей) может быть практически без существенных изменений перенесена для исследований на спутники или космические станции, так как такие черенковские телескопы не только малогабаритны, но и легки, и не требуют затрат электропитания.

В. Зрелов, доктор физико-математических наук

П. Исаев, доктор физико-математических наук