Исследователи космических лучей

Я выпускник физического факультета Якутского госуниверситета, в 1980 году был распределен сюда и вот уже 42 года работаю на Космостанции — так алмаатинцы обычно называют нашу станцию. Прошел весь путь от стажера-исследователя до руководителя. Сегодня я пытаюсь сочетать административную работу и научную, являюсь старшим научным сотрудником на экспериментальной установке «Горизонт». В 90-е мне пришлось меньше заниматься наукой и приложить максимальные усилия, чтобы сохранить станцию. Это было непросто! Но у нас всё получилось: перерегистрироваться по новым законам и закрепить свой статус, донести идею значимости станции до руководства Казахстана и России. В этом, судя по всему, смысл моей жизни!

Наша станция занимается изучением широких атмосферных ливней (ШАЛ), инициированных первичными частицами космического излучения и приходящих из космоса на границу атмосферы Земли. Мы здесь — в горах Тянь-Шань, на уровне 3340 метров — пытаемся их зарегистрировать.

Станция работает с 1958 года и является единственным зарубежным филиалом ФИАН — нашего московского головного института, который занимается фундаментальной наукой в области физики космических лучей.

Ежесекундно в атмосферу Земли попадают миллионы космических частиц: одну часть задерживает магнитосфера Земли, другие проходят планету насквозь, почти не взаимодействуя с материей, а третьи мы можем зарегистрировать. Первичная частица при входе в атмосферу вызывает каскадный процесс, она взаимодействует с тысячами вторичных частиц, и именно их мы и регистрируем на наших приборах.

В нашем распоряжении несколько экспериментальных систем: центральная ливневая система — ковер сцинтилляционных детекторов; есть периферийная сцинтилляционная система; есть установка колориметрического типа, где изучаются стволы ШАЛ и энерговыделение каскада, и есть установка «Горизонт» — она имеет большую площадь покрытия и высокий порог регистрации по энергии первичных частиц, примерно 10 в 16-й степени электронвольт и выше. Также на станции есть геофизическая установка «Гроза»: ее детекторы расположены на высоте около четырех километров. Она исследует влияние ШАЛ на распространение молний — именно благодаря атмосферным ливням электрический потенциал облака может разрядиться в виде молнии. Также есть скважина глубиной 300 метров: в ней расположены акустические детекторы, которые помогают установить корреляцию между приходом ШАЛ и землетрясениями.

По большей части галактические космические лучи задерживаются магнитным полем Земли, и эти частицы уходят к полюсам, тем самым вызывая северные сияния. По цвету всегда можно определить, какой состав атмосферы высвечивается: кислород сияет зеленоватым цветом, красным — азот. Но некоторые частицы пробивают это магнитное поле. На уровне моря, благодаря нашей атмосфере, эти частицы не несут нам опасности, а выше, в горах, в разряженной атмосфере, эти частицы еще обладают высокой энергией. Бытовое проявление этого — ультрафиолетовое излучение: загар в высокогорье может приводить к раковым заболеваниям. По сути это радиационное воздействие на кожу.

Есть несколько версий происхождения космических лучей. Одна из них говорит, что они имеют галактическую природу: частицы ускоряются в галактическом пространстве за счет магнитных полей, а их источниками являются взрывы сверхновых звезд. По другой теории эти лучи приходят из других галактик или являются фоном большого взрыва. Этим более детально занимаются физики-теоретики — мы предоставляем им экспериментальные данные. Они уже, опираясь на математический аппарат, выдвигают разные теории, а наши данные какие-то из этих теорий могут опровергнуть или подтвердить. Бывает и наоборот: уникальные исследовательские данные служат для создания новой теории. Мы получаем данные, востребованные научным сообществом. ФИАН — это головной физический институт, в его стенах работало семь нобелевских лауреатов. Результаты фундаментальной науки не дают материально осязаемых результатов сразу, но в будущем инженеры придумывают, как это конвертировать в прикладные вещи.

Таких станций, как наша, не так много во всем мире; их все стараются расположить в горах, чтобы получать больше данных о ШАЛ. На основании этих исследований строится энергетический спектр до энергий 10 в 20-й степени электронвольт. Для сравнения: на большом адроном коллайдере в лабораторных условиях ученые могут исследовать частицы на максимальной энергии 10 в 17-й электронвольт. Это, конечно, уникальный мегапроект, затратный в финансовой составляющей и научном потенциале. На нашей станции на площади регистрации разнесенных детекторов, используя природный радиатор — атмосферу Земли, мы можем регистрировать частицы большей мощности и вносить свой посильный вклад в области физики сверхвысоких энергий. Мы активно работаем с заграничными учеными, результаты наших экспериментов используют физики-теоретики для построения моделей. Также мы сотрудничаем с казахстанскими учеными: в 2010 году был подписан договор о создании консорциума «Евразийский высокогорный центр “Космические лучи”». В него вошли российский ФИАН, местные Физико-технический институт, Институт ионосферы и Университет имени аль-Фараби. Аспиранты и докторанты казахских университетов проходят практику у нас на станции — это точка роста на перспективу, путь к смене поколений.

Частицы, которые мы регистрируем, — это протоны, нейтроны, электроны и мюоны. Мы исследуем вторичные частицы и исходя из этих данных можем судить о первичных частицах, их характеристиках. Если говорить об энергетическом спектре космического излучения, то он имеет степенной характер и у него есть необъяснимый загиб, в научной среде его называют «колено». На сегодняшний день создано множество моделей физической интерпретации «колена». Все их можно условно разделить на две группы: ядерно-физические и астрофизические, но ни одна из теорий не описывает всю совокупность имеющихся экспериментальных данных. Мы стараемся в этом разобраться.

На станции работает порядка 50 человек: научный персонал и вспомогательный. Нам надо поддерживать исправную работу службы жизнеобеспечения станции: автодорожной техники, общежития, котельной, теплоэнерговодоснабжения и ЛЭП. Зимой сами чистим дорогу, помогаем коллегам из «Казгидромета» и пограничникам. Иногда происходят самопроизвольные или управляемые спуски лавин и персонал на станции становится отрезанным от мира. На этот случай есть аварийный запас продуктов, топлива. В феврале — сезон ветров с порывами до 40 метров в секунду. Одним словом, не самая комфортная и безопасная среда обитания. Сила станции в ее коллективе: в основном работают люди закаленные, те, кто любит свою профессию и горы. Я сам столько лет отдал перевалу! Были волны отъезда ученых из Казахстана, но я прирос к станции и Алма-Ате, у меня здесь трое детей, трое внуков. Мой жизненный уклад меня устраивает. Плюс у меня есть ответственность перед коллективом! Это придает мне сил, я понимаю: если какие-то острые углы я не обойду, то это может сильно повлиять на наши перспективы. Чувство востребованности дает и жизненный тонус, и силы. У меня работа и хобби воедино слиты!

Ее назначение — измерять энергию частиц и исследовать структуру самих частиц. Частицы эти могут быть протоны, нейтроны, электроны или ядра более тяжелых частиц: гелия, углерода, железа. Установка представляет собой куб площадью 55 квадратных метров и высотой три с половиной метра, который состоит из чередующихся слоев свинца, железа и из 2160 ионизационных детекторов. Детектор представляет из себя замкнутую камеру: в нее закачан аргон, а в центре нить, на которую подается электричество. И когда частица проходит через этот объем, то она сталкивается с ядрами аргона и создает положительно и отрицательно заряженные ионы, они притягиваются к корпусу и нити, вследствие чего возникает ток — это есть электрический сигнал, который мы регистрируем. Свинец и железо служат для того, чтобы притормаживать частицы и разделять их, а семь слоев детекторов позволяют вычислять координаты, на которых произошли взаимодействия первичной и вторичных частиц. С помощью математических моделей и экстраполяции мы можем судить о структуре ШАЛ.

Детекторы этой установки разнесены на большое расстояние друг от друга, что позволяет нам измерять энергии частиц в разных частях атмосферного ливня. Благодаря этому мы можем установить, из какой части Вселенной пришла первичная частица. И посмотреть, есть ли там источник таких частиц, например сверхновая. Мы измеряем заряженные частицы — электроны и мюоны — с помощью сцинтилляционных счетчиков. Сцинтилляторы — это пластик с добавками, которые смещают спектр в видимую область: мы можем это регистрировать фотоэлектронным умножителем. Частица, проходя через сцинтиллятор, ионизует частицы, из которых состоит полистирол, и высвечиваются фотоны. Мы находимся где-то в середине каскада этих вторичных частиц, поэтому такие станции и строятся в горах. Здесь можно получить максимум данных, которые впоследствии используются физиками-теоретиками. Например, коллеги из Польши и Канады очень заинтересовались нашими результатами экспериментов и используют их в своих работах. Мы получаем парадоксальные данные на больших энергиях, которые не находят объяснений в существующих моделях. Есть разные версии у ученых: что это тахионы, странглеты или частицы темной материи. Будущее покажет.

_{Фото, текст: Михаил Лебедев
Корректор/литредактор: Варвара Свешникова}