Комплекс TAIGA: российские ученые фиксируют гамма-кванты с энергией в 100 тераэлектронвольт

Российская лаборатория астрофизики элементарных частиц и гамма-астрономии разработала уникальный проект гамма-обсерватории TAIGA, в которой совместно работают два типа черенковских детекторов. В настоящее время комплекс TAIGA включает в себя 120 широкоугольных черенковских детекторов и три атмосферных черенковских телескопа, которые успешно регистрируют каскады частиц от гамма-квантов. Проект поможет изучить природные механизмы ускорения частиц до сверхвысоких энергий, найти их источники, которые до сих пор неизвестны. Об этом рассказал доктор физико-математических наук Николай Буднев на форуме «Наука будущего — наука молодых».

Космические лучи открыты сравнительно недавно — 111 лет назад. Как ни странно, название «излучение» тут так же неточно, как и в случае с альфа- или бета-излучением. В основном оно состоит из ядер атомов с огромной энергией. На подходе к Земле они взаимодействуют в верхних слоях атмосферы, при этом рождаются каскады гигантских частиц, которые и наблюдал Виктор Гесс, поднявшись на воздушном шаре на высоту 5 км. Космическое излучение включает в себя ядра с энергией вплоть до 100 миллионов ТэВ — тераэлектронвольт. Для сравнения, протоны в Большом адронном коллайдере разгоняются максимально до энергии 7 ТэВ.

Однако ученые до сих пор не выяснили источник этих ядер, а также то, как они ускоряются до такой огромной энергии. Им мешает одно обстоятельство: под действием магнитных полей заряженные частицы забывают свое направление. Поэтому единственный способ изучения источника — регистрация нейтрино и гамма-квантов, которые в нем рождаются. Из-за того, что первые сложнее и дольше регистрировать, наибольшие успехи в изучении процессов с катастрофическим выделением энергии достигнуты при исследовании потоков гамма-квантов. Они не доходят до поверхности нашей планеты, но зато, как ядра высоких энергий, порождают каскады вторичных частиц с меньшей энергией — они и долетают до Земли.

Еще в 2012 году международная команда ученых создала крупнейшую в мире широкоугольную установку для исследования заряженных частиц из космоса. Ее разместили в Тункинской долине в Бурятии, в 50 километрах от озера Байкал. Установка стала началом пути к тому, чтобы в долине появилась обсерватория для наблюдения именно за гамма-квантами. Получив мегагрант, ученые создали новую «Лабораторию астрофизики элементарных частиц и гамма-астрономии». Так они начали разработку нового комплекса детекторов.

Свои знания о гамма-квантах ученые получали благодаря совместной работе широкоугольных детекторов и черенковских телескопов (Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope), которых в Тункинской долине появилось уже несколько. Это устройство состоит из составных зеркал и камер, фиксирующих отраженное черенковское излучение (голубое свечение), которое порождается частицами высоких энергий при движении в воздухе. По данным широкоугольных детекторов исследователи восстанавливают направление и энергии космических частиц, а по данным телескопов, что самое важное, выделяют каскады, порожденные гамма-квантами. Например, если зафиксировано первичное ядро, то изображение в камере телескопа получается в виде кляксы, а если гамма-квант — вытянутым и аккуратным. Совместная работа двух типов детекторов позволила увеличить расстояние между дорогостоящими телескопами до 500 м. В результате при относительно невысокой стоимости комплекс TAIGA имеет эффективную площадь около 1 км2 и самую высокую в мире среди черенковских установок чувствительность для регистрации гамма-квантов с энергией выше 100 ТэВ.

Проект привлек много российских и зарубежных ученых, сформировавших международную коллаборацию TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic rays and Gamma Astronomy), причем такое название и расшифровка предложены немецкими участниками проекта. Более того, вклад европейских стран в создание комплекса уже превысил 4 млн евро.

В 2022 году в проектном объеме начал набор данных пилотный комплекс TAIGA-1, включающий 120 широкоугольных оптических станций установки TAIGA-HiSCORE (каждая станция включает в себя детектор фотонов с четырьмя фотоэлектронными умножителями и контейнер с электроникой, где происходит оцифровка сигналов с шагом 0,5 нс) и трех атмосферных черенковских телескопов TAIGA-IACT с составными зеркалами диаметром 4,3 метра и камерами с 600 фотоумножителями. Эти приборы распределены на площади 1,1 км². Но комплекс постоянно пополняется новыми детекторами и установками. В 2023 году начнет работать четвертый телескоп, в 2024 году — пятый. Идет развертывание мюонных детекторов установки TAIGA-Muon, расположенных под землей. Количество и типы новых детекторов будет увеличиваться и дальше.

«Наша установка регистрирует и космические лучи в огромном количестве. Это позволяет с высочайшей точностью измерить их энергетические спектры и массовый состав. Самое главное — мы уже успешно регистрируем гамма-кванты с энергией в десятки ТэВ и выше 100 ТэВ. Впервые в мире это делается черенковским методом», — рассказал Николай Буднев, заведующий лабораторией из Иркутского государственного университета.

Проект TAIGA получил как мегагрант, так и финансирование от Минобрнауки — около 500 миллионов рублей. В будущем ученые планируют построить установку с детекторами на площади 10 квадратных километров. По словам Буднева, комплекс TAIGA-10 позволит России стать ведущей державой в исследовании вселенной высоких энергий.

Автор: Ксения Земскова.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».