ТЕМЫ
Архив
< Октябрь 2021 >
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
        1 2 3
4 5 6 7 8 9 10
11 12 13 14 15 16 17
18 20 21 22 23 24
25 26 27 28 29 30 31
Сегодня
Новости науки в Иркутской области

Селфи за 30 миллионов, оптика на кастрюлях и курс на «нобелевку», или Тункинский мейнстрим

Иркутск, Бурятия, 28.05.21 (ИА «Телеинформ»), - В феврале 2021 года в Бурятии завершился пилотный этап Тункинского эксперимента. Гибридная гамма-обсерватория TAIGA на сегодня самая крупная на Земле. Об уникальных инструментах и мегасайнс-исследованиях Иркутского госуниверситета и не только – в материале Телеинформа.

На стене просторной комнаты в самом большом доме маленькой деревушки в Тункинском районе висит список с внутренними номерами местной телефонной сети. Если набрать «101», попадёшь в лабораторию, «102» – в гостиницу, «103» – в гараж. Под номерами «104» и «105» кроются «133-ий домик» и «Белый домик». За номерами со 111 по 120 зарезервированы гостиные домики.

В комнате на фоне обычного деревенского скарба огромным чёрным пятном выделяется большой плоский телевизор. За столом, не отрываясь от ноутбука, сидит человек в синем худи с символикой Иркутского госуниверситета. Это директор НИИ прикладной физики ИГУ Андрей Танаев.

– У нас только что отключили свет, – сообщает он, глядя в компьютер.

– А это как-то влияет на работу вашего оборудования? – тут же спрашивают журналисты.

– Влияет, но на этот случай у нас есть генератор, – отвечает физик. Впрочем, никакой суеты нет. В окно лишь неистово щебечут птицы. Генератор молчит: сезон активных наблюдений окончен. Установку на лето консервируют, чтобы сократить риск повреждения грозами.

Селфи за 30 миллионов, оптика на кастрюлях и курс на «нобелевку», или Тункинский мейнстрим

Андрей Танаев

Установка – это не один прибор. Это целый комплекс датчиков и три телескопа. Оборудование и выдает не совсем, а вернее совсем необычную деревушку рядом с селом Торы. Это только с трассы кажется, что там вдали виднеется рядовое поселение. Но если съехать с асфальтовой дороги на грунтовую и по ухабам подобраться поближе, первое, что встретишь на своем пути – конструкции, будто перенесённые в реальность из фантастического фильма.

Металлические ящики, похожие на большие ульи, наклонённые под углом, и вёдра, подобные тем, в каких бабушки раньше варили варенье. Внутри этой утвари и находятся те самые уникальные – и дорогие – датчики, которые выдают в поселении научную деревню. Она – часть Тункинского астрофизического комплекса коллективного пользования, на базе которого и развернули гамма-обсерваторию.

ШАЛьная ловушка в Торах

Земля ежесекундно атакуется космическими лучами. На пути к планете они поглощаются толщей атмосферы – и именно потому люди защищены от космической радиации. Заряженные частицы, за исключением нейтрино, сталкиваясь с её атомами и молекулами, разлетаются, теряя энергию, на многие и многие вторичные частицы. Так рождаются широкие атмосферные ливни, или ШАЛы. Это явление впервые пронаблюдал сто лет назад советский физик-экспериментатор Дмитрий Скобельцын, и вот уже на протяжении века учёные всего мира стараются поймать ШАЛы в свои ловушки. Интерес к широким атмосферным ливням три десятка лет назад предопределил и судьбу зарождавшегося было радиофизического полигона в Торах. В те годы именно на радиофизике специализировался НИИ прикладной физики ИГУ, но затем всё изменилось.

– Проанализировали комплекс условий: высоту, прозрачность атмосферы, хорошую космическую погоду, и решили посмотреть на ШАЛы. Сначала поставили один эксперимент, потом восемь. Потом сделали установку Тунка-25, затем Тунку-33, потом ещё какие-то. В конце концов появилась Тунка-133, – рассказывает Андрей Танаев.

Тунка-133 и есть те самые вёдра, которые встречаешь сразу же при приближении к полигону. Простая оболочка – дешёвая и надёжная – таит внутри себя оптические приборы, которые могли регистрировать черенковский свет, испускаемый вторичными частицами при попытках движения в атмосфере со скоростью выше скорости света.

Селфи за 30 миллионов, оптика на кастрюлях и курс на «нобелевку», или Тункинский мейнстрим

Тунка-133

Тунка-133, говорит Андрей Танаев, не является частью гамма-обсерватории TAIGA, установку даже планировали демонтировать. Но сейчас её задействуют как триггер для работы более новой широкоугольной установки Тайга-Хайскор.

Этих станций, внешне похожих на ульи, сейчас больше 80, в этом году будет 121 – на этом можно считать, что сеть смонтирована полностью. Работая по принципу Тунки-133, они имеют более чувствительные оптические модули. Фотоэлектронные умножители – точь-в-точь как в нейтринном телескопе, развёрнутом на Байкале, – крепятся на самые обычные кастрюли, а потом помещаются внутрь металлических ящиков. Учёные говорят: когда у тебя в распоряжении много высокоточного дорогостоящего оборудования, где-то приходится хитрить и использовать подручные дешёвые материалы.

Селфи за 30 миллионов, оптика на кастрюлях и курс на «нобелевку», или Тункинский мейнстрим

Станция Тайга-Хайскор

– Вот кастрюлька обычная, – показывает директор НИИ прикладной физики ИГУ. – Причём, когда мы начали делать модули, эти кастрюли спокойно можно было купить в Иркутске. Потом они почему-то пропали, они стали страшно эксклюзивными, и мы их стали покупать в Москве.

Среди коробок и вёдер глаза выхватывают установку, похожую на стимпанк-зонтик тысячелистника: 33 отдельных зеркала собраны в единое полотно. Эти зеркала идеальны для самого необычного селфи. Но, конечно, предназначены совсем для других целей. Они – составляющие атмосферного черенковского телескопа Тайга-ИАКТ. В фокусе зеркал установлена камера, которая тоже регистрирует черенковское излучение. Она включает в себя несколько сотен маленьких фотоэлектронных умножителей. Таких телескопов на полигоне три, каждый стоимостью около 30 миллионов рублей.

Селфи за 30 миллионов, оптика на кастрюлях и курс на «нобелевку», или Тункинский мейнстрим

Тайга-ИАКТ

Оптические детекторы широкоугольной черенковской установки регистрируют время прихода ШАЛ и амплитуду светового импульса. Это помогает восстановить энергию первичной частицы. А атмосферный черенковский телескоп определяет тип частицы, регистрируя изображение черенковского света. В итоге получается изображение в виде овала и по нему можно с большой вероятностью сказать, что это было – гамма-квант или заряженная частица.

В мировой гамма-астрономии хорошо зарекомендовали себя зеркальные телескопы. Если их расставить на расстоянии ста метров друг от друга, то они и направление частицы хорошо регистрируют. Но они очень дорогие, и покрыть ими большую площадь сложно. Потому в Тунке пошли другим путём, скомбинировав две установки.

А ещё по полю разбросаны «домики». Это станции Тунка-Гранде. Их 19, и они расположены в центре кластеров Тунки-133. Тунка-Гранде включает в себя сцинтилляционные детекторы, расположенные как над землёй, так и под ней. Наземные детекторы регистрируют электронно-фотонную компоненту ШАЛов, а подземные – мюоны. Грунт выступает в качестве фильтра, и электроны под землю не проходят. По тому же принципу работает и более новая установка Тайга-Мюон.

– Мы ловим след, который оставляет частица, её саму черенковские приборы не ловят, – рассказывает старший научный сотрудник НИИ прикладной физики ИГУ Анна Иванова. – Первую частицу поймать мы точно не можем. Она где-то там провзаимодействовала и что-то нам дала. Это могут быть разные частицы: и протон, и тяжёлое железо, и первичный гамма-квант. Они дают разные по своему содержанию ШАЛы. И по тому, какие в нём пропорции вторичных частиц, мы и определяем, какой была первичная.

Эти станции, в отличие от черенковских приборов, могут вести наблюдения круглый год и в любое время суток. Тайга-Хайскор и атмосферный телескоп работают лишь в безлунные ясные ночи: слабый черенковский свет можно поймать только так. Чтобы избежать засветки, сотрудники не допускают не только света фар, они и задёргивают плотными шторами окна. К тому же сами приборы открывают свои «глаза» строго после заката, поскольку их фотоэлектронные умножители настолько чувствительны, что могут сгореть даже от лунного света.

Селфи за 30 миллионов, оптика на кастрюлях и курс на «нобелевку», или Тункинский мейнстрим

Зеркало атмосферного черенковского телескопа

Вся собранная установками информация поступает в центр сбора данных. Здесь они проходят первичную обработку, загружаются на физические носители и отвозятся в Иркутск: терабайты информации пока проще передавать так.

– Наш комплекс уникален тем, что здесь используется гибридный подход, когда мы измеряем сразу несколько компонентов широких атмосферных ливней. ШАЛ состоит из разных вторичных частиц и излучений, и у нас есть несколько разных установок, которые с разных точек зрения их регистрируют, – объясняет старший научный сотрудник НИИ прикладной физики ИГУ Анна Иванова.

Посланники катастрофических событий

– Вообще-то то, чем мы тут занимаемся, на сегодня мейнстрим науки, самая модная фишка астрофизики, – говорит Андрей Танаев. – Это многокомпонентная астрономия, которая сейчас на передовом краю науки. Из космоса летит много частиц: это может быть нейтрино, могут быть гамма-кванты, космические лучи, сцинтилляционные волны. И все эти компоненты рождаются в одних и тех же событиях. Собрав всё это в кучу, с разных источников, мы с очень высоким качеством восстанавливаем природу процесса, породившего это всё.

Эти события, порождающие широкую палитру явлений, зачастую бывают катастрофическими по космическим меркам: взрыв сверхновой звезды, активные галактические ядра, нейтронные звезды – это всё глобальные процессы с огромными энергиями. Микрочастицы, которые потом «ловят» на Земле астрофизики, – их посланники. Иногда они сообщают землянам о том, что случилось миллиарды лет назад. «Мы восстанавливаем историю макромира», замечает Анна Иванова.

– При своём рождении эти микрочастицы получают настолько гигантские энергии, которые на земных ускорителях получить невозможно. Даже если построить коллайдер, охватывающий всю Землю, мы не сможем разогнать частицы до таких энергий, – продолжает она.

Селфи за 30 миллионов, оптика на кастрюлях и курс на «нобелевку», или Тункинский мейнстрим

Анна Иванова

К примеру, одна сверхновая выделяет столько энергии, сколько 10 миллионов солнц за один миллион лет. При этом взрыв сверхновой не самый энергетичный процесс.

Иркутских учёных и их коллег по обширной коллаборации интересуют, прежде всего, фундаментальные научные задачи. Они стремятся познать механизм ускорения частиц до тех энергий, о которых идёт речь. На сегодня вообще нет общепринятого мнения об этом механизме, и, соответственно, нет общепринятого мнения об источниках этих частиц. Если удастся это выяснить, то можно будет претендовать на Нобелевскую премию.

– Есть очень сильные теоретические предположения о том, что тёмная материя в процессе своего взаимодействия с другими частицами, например, с фотонами, может порождать высокоэнергичные гамма-кванты, которые мы как раз и ловим. Одна из задач – поиск аксион-фотонных частиц. Это один из главных кандидатов на частицы из тёмной материи. Вот если у нас получится, то мы сможем претендовать на звание первооткрывателей частиц тёмной материи. А это открытие нобелевского уровня, – отмечает Андрей Танаев, с полуулыбкой добавляя: «Мы особенно не надеемся, но рассчитываем».

Охотясь за загадками Вселенной

Понять, какие загадки скрывает Вселенная, можно лишь накапливая полученную информацию. Как отмечает научный сотрудник НИИ прикладной физики ИГУ Александр Пахоруков, любые знания о Вселенной – это исключительно наблюдения. Высокоэнергетические частицы, которые сохраняют направление на источник и потому позволяют понять, откуда они прилетели, падают раз в год на один квадратный километр.  Потому, чтобы набирать статистику, надо либо много лет вести наблюдения, либо увеличивать площадь установки. Площадь внутренних кластеров гамма-обсерватории ИГУ достигает того самого одного квадратного километра, с внешними – трёх. То есть потенциально она может ловить до трёх частиц в год.

– Первичные частицы, – рассказывает Александр Пахоруков, – можно регистрировать только за пределами атмосферы. Это можно делать либо с помощью спутникового, либо с помощью балонного эксперимента. Но нам атмосфера помогает, она позволяет визуализировать элементарные частицы. К примеру, на Луне мы бы такие эксперименты проводить не смогли. Благодаря тому, что атмосфера проявляет эти частицы, можно использовать наземные инструменты.

Селфи за 30 миллионов, оптика на кастрюлях и курс на «нобелевку», или Тункинский мейнстрим

Александр Пахоруков

Сейчас установки гамма-обсерватории калибруются. Именно поэтому, например, станции Тайги-Хайскор наклонены на 25 градусов и «смотрят» на Крабовидную туманность – самый известный источник гамма-квантов высоких и сверхвысоких энергий. Это своего рода эталон, по которому можно «свериться», чтобы потом глядеть туда, куда интересно. «А интересно нам много куда», замечает Андрей Танаев. После настройки уже можно будет говорить о том, что приборы собирают достаточно статистики, чтобы данные претендовали на те или иные открытия.

В следующем году планируется построить ещё одну установку – флуоресцентную. Черенковский свет излучается в узком угле, а флуоресцентный – на широкий угол, а потому установки можно ставить дальше друг от друга. Всё вместе опять же работает на то, чтобы из мозаики разных данных составить единую картину, взглянуть в космос глубже.

И не только в космос. При решении основных астрофизических задач оборудование неизбежно даёт «побочные» эффекты. Например, есть гипотезы, которые нужно ещё проверить, о том, что космические частицы являются триггерами землетрясений, как это ни странно, и грозовой активности. При последних крупных сейсмособытиях в Прибайкалье учёные заметили изменения электромагнитного фона. Это происходило за несколько часов до подземных толчков. Но это пока лишь наблюдения, которые ещё нужно проанализировать. Потому о том, что астрофизика помогает прогнозировать землетрясения, говорить ещё рано, замечают учёные.

Изучать это, конечно, будут – специализированные институты коллаборации.

– Время «индивидуальных» учёных закончилось на Ландау. Он был, пожалуй, последним таким. Сегодня каждый специалист понимает, что чтобы делать какие-то открытия, нужна команда. Научные руководители стараются подбирать себе разных специалистов, чтобы  они друг друга дополняли. Так достигается синергия, – говорит Андрей Танаев. – Вся наука сегодня – это не всклокоченный учёный, который смотрит в микроскоп и что-то там делает, открывает. Это завод по производству знаний. Причём это большое количество заводов, которые объединяются в коллаборации.

Селфи за 30 миллионов, оптика на кастрюлях и курс на «нобелевку», или Тункинский мейнстрим

Жилая часть Тункинского астрофизического центра коллективного пользования

Вокруг гамма-обсерватории Тайга скооперировались самые представительные организации мира. Кроме ИГУ в коллаборацию входят шесть российских организаций (МГУ, Московский инженерно-физический институт, Институт ядерных исследований РАН, ИЗМИРАН, Институт ядерной физики СО РАН, Новосибирский госуниверситет), пять организаций Германии (исследовательский центр DESY, Мюнхенский институт физики Макса Планка, институт технологий Карлсруэ, университеты Берлина и Гамбурга), а также Объединенный институт ядерных исследований (Дубна), Туринский университет (Италия), Институт космических исследований (Румыния). В Германии проект признан лучшим в области фундаментальных исследований среди российско-германских исследований. Это как «Оскар» в сфере науки, говорят сотрудники гамма-обсерватории.

В этом году, поскольку пилотный этап Тункинского эксперимента завершён, должна была состояться инаугурация гамма-обсерватории – так в научном мире называется официальное открытие установки. На неё даже собиралась приехать канцлер Германии Ангела Меркель. Но свои коррективы, как и везде, внёс коронавирус. Потому мероприятие перенесли на август 2022 года. К тому времени на полигоне будет установлен уже четвёртый атмосферный черенковский телескоп. А, может быть, и пятый.

Алёна Кашпарова, Телеинформ, фото автора

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:

 
Летопись байкальских тревог
Рейтинг@Mail.ru Яндекс цитирования Яндекс.Метрика
  • Все права защищены © ООО «ИРА Телеинформ». Любое использование материалов допускается только при наличии гиперссылки на i38.ru (для интернет-СМИ) или на ИА «Телеинформ» (печатные, эфирные СМИ)
  • Дизайн-концепция © «Gombo Design». Верстка и техническая поддержка © «БайкалТелеИнформ»
  • Регистрационный номер — ИА № ФС 77 - 75717, выдан 24.05.2019 Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор)