Семинары

Большие перспективы в новой области

30 апреля в Доме ученых ОИЯИ с лекцией «Исследования космических лучей на Тянь-Шанской высокогорной станции Физического института имени П. Н. Лебедева» выступил Александр Леонидович ЩЕПЕТОВ.

Тянь-Шанская высокогорная научная станция ФИ РАН (космостанция) расположена на высоте 3340 м над уровнем моря в горах Тянь-Шаня. Она включает крупные системы детекторов заряженных частиц для регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ) в диапазоне энергий от 1 до 1000 ПэВ и специализированные адронные и мюонные детекторы, позволяющие детально исследовать структуру ливней и характеристики вторичных частиц. ШАЛ – это вторичные частицы, возникающие в результате взаимодействия космического излучения высокой энергии с атомами атмосферы. Ливень вторичных взаимодействий, вызванный одной космической частицей, может иметь диаметр в десятки метров на поверхности Земли и состоять из миллиона электронов, тысяч мюонов и всего нескольких адронов. Наибольший интерес представляют именно последние. И чтобы всё это наблюдать, надо находиться на высоте 3–5 км над уровнем моря.

Экспериментальный комплекс космостанции состоит из двух центров – «ковров» с плотно расположенными сцинтилляционными детекторами. В первом центре также имеются нейтронные и гамма-детекторы и комплекс подземных детекторов. Второй оснащен ионизационно-нейтронным калориметром. Докладчик подробно рассказал об экспериментальном оснащении станции, его модернизации и результатах, полученных за последние 20 лет. А. Л. Щепетов отметил, что в исследованиях элементарных частиц при таких энергиях наблюдался ряд явлений, не получивших объяснения, в том числе нарушение скейлинга в ядерных взаимодействиях частиц космических лучей. Поделился докладчик совсем свежими результатами моделирования параметров ливня. Для того чтобы извлекать информацию о мюонных компонентах ШАЛ, на станции на основе современных технологий был создан мюонный сцинтилляционный годоскоп. Остается непонятным, почему в космических лучах регистрируется большее, чем предсказывают модели, число мюонов. Последние месяцы Александр Леонидович занимается изучением состава ядер космических лучей. Как он подчеркнул, экспериментальные данные подземной лаборатории станции и результаты моделирования (разные модели) хорошо согласуются. Изу­чается также астрофизический аспект физики космических лучей – положение их возможных источников во Вселенной. Увидеть источники пока не удалось.

Среди научных задач станции также исследование физики Солнца, гелиосферы и околоземного космического пространства; электрических явлений в грозовых облаках; мониторинг радиационного фона в окрестностях станции и исследование этих данных в целях прогнозирования землетрясений. С подробностями этих исследований докладчик обещал познакомить на следующей встрече.

В семинаре активно участвовал директор ЛЯП Е. А. Якушев. Он дал комментарий для нашей газеты: «Физика космических лучей играет огромную роль в физике в целом. Она играла значительную роль до того, как человечеству удалось построить ускорители, то есть до середины прошлого века. В это время были открыты некоторые частицы: первая античастица, которую удалось открыть, – позитрон, в космических лучах были открыты мюон и пион. В 1950-х началась эпоха ускорительной физики, в Дубне был построен первый протонный ускоритель, лучший в мире на то время. Эта эпоха продолжается и сейчас. Именно на ускорителях ученые находят ответы на очень важные вопросы. Например, о природе массы частиц ответ был дан на Большом адронном коллайдере с открытием бозона Хиггса, в котором наш Институт принимал самое активное участие. Сейчас в ОИЯИ вводится в эксплуатацию комплекс NICA, который позволит ответить на целый ряд вопросов фундаментальной физики – о кварк-глюонной плазме, как устроено ядро, какую роль играют глюоны, а какую – кварки.

Несомненно то, что следующая эпоха ускорителей более высоких энергий, по всей видимости, в настоящее время человечеству недоступна из-за того, что это очень дорого. Наверное, космические лучи снова начнут играть большую роль, потому что энергия, которую мы детектируем в космических лучах, на много порядков превосходит энергию, которую мы можем получить на ускорителях. Максимальная энергия тех частиц, которые мы видим на установке Baikal-GVD, в сотни раз превосходит энергию на БАК. Это означает, что изучение космических лучей имеет большой потенциал для физики, в том числе для физики высоких энергий. Наверняка нужно переформатировать эту область, перенацелить ее таким образом, чтобы получать ответы на стоящие перед нами вопросы. А вопросы есть, потому что Стандартная модель, которая прекрасно работает практически везде, должна быть расширена, поскольку не объясняет целый ряд явлений, которые мы видим. Например, всем физикам ясно, что нужно искать ответ на вопрос: что такое темная материя и темная энергия. В этом направлении и должна развиваться физика космических лучей. Она не была раньше традиционной областью исследований в ОИЯИ, но с развитием детектора на Байкале и началом нашего участия в проекте TAIGA, который направлен на изучение космических лучей – гамма-лучей, протонов, мюонов, стала таковой.

Космостанция отличается от ряда других обсерваторий такого типа тем, что позволяет наблюдать большое количество всевозможных частиц. У наших коллег и сотрудников ОИЯИ из Казахстана имеется лаборатория недалеко от Алматы, на Тянь-Шане, на высоте 3340 м. Наша лаборатория TAIGA находится на высоте 600 метров. Они сильно отличаются по местоположению, тем не менее, по задачам, которые они решают, – очень близки. Страна-участница Института проявляет большой интерес к продолжению этих исследований. Для нее развитие этой области фундаментальной физики и астрофизики является довольно важным. И с точки зрения фундаментальной науки, и в образовательных целях, поскольку наблюдение космических лучей в том смысле, как это делалось в середине прошлого века, остается одним из самых наглядных методов, которые можно использовать для обу­чения студентов детектированию в физике высоких энергий. Это является основой образования для естественных наук, поэтому наличие такой инфраструктуры в стране-участнице важно для развития науки.

Наверное, в ОИЯИ настало время, когда мы можем объединить усилия различных обсерваторий. Здесь надо сказать, что в настоящее время ключевые результаты в этой области получены на большом детекторе LHAASO, который находится в горах Тибета в Китае. Эти специалисты сейчас присоединяются к нам для участия в создании следующего поколения детектора на Байкале. Таким образом, три разные группы объединяются под знаменем ОИЯИ, и это открывает большие перспективы для того, чтобы нам в будущем исследовать новую область физики – когда мы дополним данные по астрофизике, получаемые на Байкале, данными по космическим лучам от разных обсерваторий в России, Казахстане и Китае.

Эта высокогорная станция рядом с Алматы продолжает поддерживаться коллегами из ФИАН и Алматы. Мне кажется, наше присоединение к этой работе, передача нашего опыта и заимствование опыта наших коллег очень важны. Лучшие люди должны объединять усилия для того, чтобы двигать физику к новым целям для решения стоящих задач».

После семинара А. Л. Щепетов добавил: «Мы планируем использовать технологии, которые разрабатывают в ОИЯИ, в совместных с Институтом ядерной физики (Алматы) исследованиях. По инициативе Нуржана Садуева начато производство детекторов в ИЯФ. Наша станция должна стать опытной площадкой для испытания этих детекторов и демонстрации их эффективности в реальных условиях эксплуатации для решения актуальных физических задач. Задачи, как я предполагаю, сводятся к исследованию многокомпонентных космических лучей на том уровне информативности, который раньше по экспериментальной технике был недостижим».

Нуржан Садуев (ИЯФ) прокомментировал: «ИЯФ вместе с ФИ РАН занимается исследованиями космических лучей. Мы специально приехали в ОИЯИ для участия в этом семинаре, чтобы обсудить с коллегами перспективы совместных работ. Мы понимаем, что одного визита будет мало, а если принять во внимание дискуссию, возникшую после сегодняшнего доклада, – наверняка будет второй. Встретимся с коллегами, и уже в практической плоскости обсудим дальнейшие направления исследований по космическим лучам».

Ольга ТАРАНТИНА