Гамма-обсерватория TAIGA — первая в мире черенковская установка площадью один квадратный километр, которая способна регистрировать гамма-кванты с энергией выше 100 ТэВ.
«Новая физика, конечно, должна быть». Как наши физики «ловят» космические частицы с энергией, которую невозможно получить даже на Большом адронном коллайдере 5.0
Корреспондент Naked Science поговорил с деканом физического факультета ИГУ астрофизиком Николаем Будневым о том, что сегодня мы уже знаем о небе, какие тайны еще предстоит открыть, как и зачем иркутские и новосибирские физики ловят космические лучи в международном эксперименте гамма-обсерватории TAIGA и чем так привлекательна наука на свежем воздухе.
В Республике Бурятии, между озером Байкал и озером Хубсугул, раскинулась Тункинская долина — незатопленная низменность, окруженная Восточным Саяном и хребтами Хамар-Дабана. Когда-то долина была озером, а теперь на ее территории, помимо местных жителей, которые выпускают пастись на плодородные бескрайние луга табуны лошадей, живут и работают ученые.
На территории долины расположен Тункинский астрофизический центр Иркутского государственного университета (ИГУ). Один из перспективных экспериментов, над которым работает международная команда специалистов, в том числе новосибирские физики из ИЯФ СО РАН и НГУ, направлен на «поимку» космических частиц с энергией, которую невозможно получить даже на Большом адронном коллайдере.
Гамма-обсерватория TAIGA занимает площадь один квадратный километр: там размещено оборудование, способное регистрировать гамма-кванты с энергией выше 100 ТэВ и находить на небе источники таких высокоэнергетических частиц — сверхновые, блазары и другие объекты.
«Человек всегда чувствовал свою зависимость от неба, недаром многие созвездия названы именами древних духов и богов. Мы смотрим в небо столько, сколько живем на этой планете, и пытаемся понять: а что там?» — рассуждает Николай Михайлович, пока наливает нам кофе у себя в кабинете. За окном уже темно, на небе появляются первые звезды. О небе мы и начали наш разговор.
: Николай Михайлович, расскажите, пожалуйста, какие задачи сегодня стоят перед учеными-астрофизиками? Небо такое огромное! Что мы в нем ищем и знаем ли, куда смотреть? А главное, зачем?
: Знаете, в советские времена была такая популярная песня «Мы — дети Галактики». С точки зрения физика это буквально констатация факта. Ведь каждый атом, из которого мы сделаны, был когда-то в составе какой-то звезды, а может, многих звезд, после взрыва которых образовалась наша вторичная Солнечная система, а впоследствии и мы с вами. В связи с этим самый главный вопрос, который людям интересен: откуда все это взялось и что дальше с этим будет?
Все, что мы сейчас знаем о Большом взрыве, о последующей эволюции Вселенной и процессах, которые происходили вплоть до настоящего времени, описывается Стандартной моделью. В целом данная модель достаточно хорошо это делает, тем не менее к ней есть вопросы, которые не имеют ясных ответов на сегодня. Например, почему в видимой части Вселенной мы наблюдаем преобладание вещества над антивеществом, хотя, казалось бы, его должно быть одинаковое количество.
Вопрос такого же (а может, и большего) масштаба: что есть темная материя? Огромное количество экспериментальных данных подтверждает ее существование и то, что ее примерно в десять раз больше, чем адронной материи. Но что это такое, пока непонятно. Или вот темная энергия, которая отвечает за расширение Вселенной с ускорением…
Все это представляет огромный интерес. Разумеется, для тех, кто задумывается.
: Какими вопросами занимаются ученые международной коллаборации гамма-обсерватории TAIGA?
: Вопросов к небу много, есть и меньшего масштаба, чем темная материя или темная энергия, но от этого не менее удивительных. Например, 111 лет назад (в некотором смысле круглая дата) австрийский физик Виктор Гесс доказал, что на Землю приходит некое ионизирующее излучение из космоса. За открытие космических лучей в 1936 году он получил Нобелевскую премию.
Теперь мы знаем, что зарегистрированные им лучи — это частицы широких атмосферных ливней, то есть каскадов, возникающих в атмосфере в результате взаимодействия с ней на больших высотах ядер и гамма-квантов.
Несмотря на то что открытию космических лучей более 100 лет, к сожалению, физики, исследовавшие их, не смогли продвинуться в понимании природы этих высокоэнергетических частиц. Дело в том, что изучать получалось только заряженные частицы, а они, двигаясь в Галактике под действием магнитного поля, «забывают» направление на своего «родителя». Их траектории настолько искажаются, что они приходят на Землю совершенно не оттуда, где родились.
Восстановить правильное направление и реально изучать источники можно, регистрируя либо нейтрино, либо гамма-кванты. Эти два типа носителей информации сохраняют направление на источник. И тех, и других рождается одинаковое количество, но нейтрино очень трудно регистрировать. Для понимания: нейтринный телескоп размером один кубический километр будет регистрировать одно нейтрино в год, а гамма-телескоп площадью один квадратный километр — один гамма-квант за три часа от того же источника.
В мире наиболее успешными гамма-телескопами можно назвать MAGIC II (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope) на Канарских островах, HESS (High Energy Stereoscopic System) в Южной Африке и VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) в США. С помощью этих установок зарегистрировали, нашли и более или менее изучили больше 200 источников гамма-квантов с энергией выше 1 ТэВ.
Но гамма-квантов с энергией больше 50 ТэВ, которые нас как раз интересуют, зарегистрировано буквально… по пальцам пересчитать. Поштучные события ничего не скажут нам ни об источнике, откуда прилетели частицы, ни о возможных механизмах ускорения до таких энергий. Чтобы получать информативные данные, нужно изучать спектр нейтрино или гамма-квантов.
Все перечисленные мною установки включают в себя от двух до пяти черенковских телескопов, и их эффективная площадь существенно меньше одной десятой квадратного километра. А чтобы регистрировать и изучать сверхэнергетические частицы, площадь установки должна быть не меньше квадратного километра.
Это долгая подводка к тому, чтобы сказать: гамма-обсерватория TAIGA — первая в мире черенковская установка площадью один квадратный километр, которая способна регистрировать гамма-кванты с энергией выше 100 ТэВ.
Преимущество нашей обсерватории в том, что она гибридная. И, помимо черенковских телескопов, которых сейчас у нас три, четвертый в процессе монтажа, а пятый, надеемся, будет построен в будущем году, она оснащена и другими видами детекторов, в том числе относительно дешевыми широкоугольными черенковскими детекторами и сцинтилляционными счетчиками, как полученными нами от европейских участников коллаборации, так и специально разработанными и изготавливаемыми для нашего эксперимента коллегами из ИЯФ СО РАН и НГУ.
: И какие возможности дает сочетание различных видов оборудования?
