Проекты XXI века

Всероссийская конференция
по космическим лучам RCRC-2014

была впервые проведена в Дубне. В ней приняли участие более 200 ученых из всех научных институтов и университетов России, занимающиеся различными аспектами проблемы космических лучей (КЛ), а также специалисты из стран СНГ и Европы.

История, тематика, эксперименты

Всесоюзные конференции по космическим лучам имеют уже более чем полувековую историю. Впервые некоторые вопросы физики атомного ядра и космических лучей обсуждались на конференции в Ленинграде в 1933 году. С 1934 года на Эльбрусе начались первые наблюдения космических лучей на различных высотах. С тех пор на территории Советского союза созданы десятки установок по изучению космических лучей как галактического, так и солнечного происхождения, а также вторичных КЛ, образуемых в атмосфере Земли, под землей и под водой.

С 1961 года конференции по космическим лучам стали ежегодными, а с 1973-го они проводятся раз в два года в различных городах и республиках Советского Союза, а затем в России с участием ученых из стран СНГ и Восточной Европы.

Тематика фундаментальных исследований, охватываемых этой конференцией, касается следующих чрезвычайно актуальных проблем: происхождение, распространение и ускорение КЛ (в различных галактических и метагалактических источниках) вплоть до энергии 10²¹ эВ, широкие атмосферные ливни (ШАЛ), образованные частицами 10¹⁵-10²¹ эВ, существование ГЗК-обрезания (предел Грайзена - Зацепина - Кузьмина, обрезание спектра в области предельно высоких энергий - это теоретический верхний предел энергии космических лучей от отдаленных источников. Прим. ред.); результаты прямого исследования спектров и химического состава КЛ на спутниках, физика взаимодействий частиц сверхускорительных энергий, нейтринная физика: нейтрино от коллапса звезд и атмосферные нейтрино и мюоны, гамма-астрономия высоких энергий, космические лучи солнечного происхождения и модуляции галактических космических лучей. И уже традиционно на конференции стали довольно популярными доклады о влиянии КЛ на климат, о роли КЛ в формировании молний и атмосферного электричества.

По многим позициям российские установки по исследованию КЛ занимают лидирующее положение в мире. Новые данные с этих установок были представлены на конференции. Это Баксанский нейтринный телескоп и ряд установок его окружения, Байкальский нейтринный телескоп, Якутская установка ШАЛ, регистрирующая частицы вплоть до ГЗК обрезания 10²⁰ эВ и его подтвердившая. Планируются новые данные, которые предполагается получать с помощью недавно созданной в Сибири уникальной по многим параметрам установки Тунка-133. Продолжает активно развиваться комплексная установка ФИАН по широким атмосферным ливням на Тянь-Шаньской высокогорной станции, на ней получены новые результаты по нейтронному сопровождению ШАЛ, по связи КЛ и молний. Есть новые результаты на установке "Невод-Декор" по исследованию мюонов КЛ. Ожидаются новые данные эксперимента ОPERA по исследованию поиска осцилляций мюонных нейтрино и эксперимента LVD. Эти два проекта осуществляются крупными международными коллаборациями.

Участники конференции на снимке П.Колесова

Россия - традиционно в лидерах по исследованию космических лучей высоких энергий на спутниках и баллонах. Целый ряд докладов был посвящен результатам экспериментов ATIC и PAMELA, в которых получены впервые указания, что наблюдаемые избытки античастиц и электронов связаны с аннигиляцией частиц темной материи в нашей Галактике. Представлены доклады по ожидаемому в этом году запуску орбитальных аппаратов с детекторами НУКЛОН на спутнике РЕСУРС П N2 и детектора ТУС на спутнике "Михаил Ломоносов" для исследования космических лучей в широком интервале энергий, в подготовке которых принимает активное участие ОИЯИ.

Леонид ТКАЧЕВ
 

Проекты, тенденции, надежды

Евгений Григорьевич Бережко, директор ИКФИА СО РАН, член-корреспондент РАН (Якутск).

- Расскажите, пожалуйста, об институте, который вы представляете.

- Институт космофизических исследований и аэрономии сейчас носит имя его основателя Юрия Георгиевича Шафера, который начал свою научную работу в Якутске еще до войны. Это были изыскания в области физики космических лучей. Направление наших исследований с тех пор сильно продвинулось, и думаю, нашему основателю даже трудно было бы представить этот прогресс. Одна из важных задач, которую Юрий Георгиевич успешно решил, - это создание прибора (ионизационной камеры), который можно устанавливать на станциях для регистрации космических лучей. За эту работу он со своими соратниками был удостоен Государственной премии. Камерами были оснащены несколько станций в нашей стране и Китае. В 1963 году возглавляемая им лаборатория получила статус института.

Со временем выяснилось, что есть смежные проблемы в изучении космических лучей. Это целый ряд физических процессов в околоземном космосе: изменчивость геомагнитного поля (так называемая геомагнитная возмущенность), полярные сияния, особенности распространения радиоволн. Эти вопросы связаны с космическими лучами, потому что источник энергии, который оказывает влияние на космические лучи и производит массу явлений в околоземном космосе, один и тот же - Солнце. Но оно это делает не за счет света, благодаря которому мы живем, а за счет солнечного ветра - непрерывно испускаемых потоков плазмы. Когда на Солнце возникают сильные возмущения солнечного ветра, то на Земле это влияет на протяженные технические устройства - линии электропередач, трубопроводы, что может привести к аварийным ситуациям. Такое происходило неоднократно. То есть как минимум эти явления надо изучать, научиться предсказывать их последствия.

Наш институт замечателен тем, что в 60-х годах у нас построили крупнейшую в стране наземную установку по регистрации космических лучей. Эта установка для измерения широких атмосферных ливней (ШАЛ), которая регистрирует космические лучи на площади около 20 кв. км. По сегодняшним понятиям это уже небольшая установка. У нас в свое время были планы по ее расширению, но им не суждено было сбыться...

В своем докладе я упомянул, что один из крупнейших прорывов в теории генерации и распространения космических лучей был сделан моим учителем академиком Гермогеном Филипповичем Крымским. В 1976 году он обнаружил существование процесса, который должен приводить к формированию спектра космических лучей, рождающихся в далеком космосе. То есть космические лучи - это особый вид излучения, благодаря которому мы узнаем что-то новое о космосе, об удаленных астрофизических объектах. С тех пор в этом направлении достигнут большой прогресс. В частности, установлено, что именно благодаря открытому Г.Ф.Крымским процессу космические лучи рождаются в остатках так называемых сверхновых звезд.

- Есть ли надежды на модернизацию вашей установки ШАЛ?

- Мы это делаем. Но, к сожалению, из-за нехватки финансовых средств дело это идет не очень быстро. В нашем распоряжении только всевозможные гранты из федеральных целевых программ. Это не те деньги, за которые можно быстро что-то сделать. В России сейчас создаются установки, которые в каком-то смысле будут нашими конкурентами, потому что схожи по размерам, а по возможностям, наверное, и превзойдут нашу. Так, например, здесь в ОИЯИ создается гамма-телескоп, который в следующем году будет установлен в Прибайкалье на одной из таких установок.

- Какие проекты, осуществляемые сейчас в России по вашему направлению, представляются вам наиболее перспективными?

- Я не могу себя считать специалистом во всех областях исследования космических лучей. Из того что я хорошо знаю, считаю перспективным проектом установку ТАЙГА, она по своим характеристикам будет на хорошем уровне. Некоторые из ее характеристик недостижимы пока в мире. Гамма-телескоп, о котором я говорил, будет частью именно этой установки. Она рассчитана на большие энергии гамма-излучения, чем измеряются сейчас. Поэтому ее результативность будет зависеть от того, какое количество источников такого излучения расположено достаточно близко к нам, чтобы эта установка смогла зарегистрировать излучение от них...

- Ваше мнение о конференции.

- Здесь встречаемся с коллегами, что очень важно, в особенности, для таких как я, потому что живу далеко... Есть и грустные моменты. Так, хроническая нехватка средств не позволяет развивать даже то, что в свое время было задумано. Например, в НИИЯФ МГУ в конце 80-х годов было запланировано создание гигантской установки ШАЛ, предназначенной для регистрации космических лучей с предельно высокими энергиями. Но последовавшие в нашей стране события привели к тому, что проекту не суждено было осуществиться. Установки подобного рода, на которых уже получены важные научные результаты, были впоследствии построены за рубежом. И таких примеров привести можно много. Хотя я сам теоретик, но отчетливо понимаю, что без хорошего эксперимента прогресс в науке практически невозможен. И еще один грустный момент. Среди участников конференции есть еще совсем молодые люди, в то время как основная часть участников, скажем так, люди в годах. А вот людей среднего возраста 35-45 лет почти нет. А это наиболее продуктивный возраст в науке.

Установки, коллаборации, итоги

Размик Мирзоян, руководитель проекта MAGIC (Институт физики Макса Планка, Мюнхен, Германия).

- Какие проекты, осуществляемые в мире, можно считать наиболее интересными в плане изучения космических лучей?

- Для изучения космических лучей сейчас создаются большие серьезные установки. Если учесть нейтринные исследования, то можно отметить модернизацию Ice Cube. В этой установке будет изменена конфигурация, удвоено количество детекторов, причем центральная часть будет более плотная по сравнению с периферией. Таким образом будет увеличена площадь и чувствительность, снижен энергетический порог.

Есть очень хорошая гамма-обсерватория HAWC в мексиканском штате Пуэбла. Это 300 водяных резервуаров, примерно 200 тонн воды в каждом. Установка почти готова, уже производит данные, с ее помощью можно обнаруживать гамма-кванты в области нескольких ТэВ и выше. Установка будет иметь чувствительность примерно в 20 раз выше, чем предшествующая установка этой коллаборации MILAGRO. Это широкоугольная установка, которая круглосуточно проводит измерения в довольно большом телесном угле.

Далее обязательно надо упомянуть CTA (Cherenkov Telescope Array), объединенный проект, в нем участвует примерно тысяча ученых из 28 стран из 130 институтов. Будут строиться около сотни телескопов в Южном и Северном полушариях: 40 маленьких, 25 средних и 8 больших (соответственно 4, 12 и 23 метра в диаметре). Сейчас уже созданы прототипы.

Есть грандиозная программа в Китае - LHASSO: планируется создать гигантскую установку в Гималаях, стоимость ее порядка 150 млн долларов.

И хорошей установкой будет ТАЙГА. Одна из ее компонент Тунка-133, которая состоит из 185 детекторов. Есть еще HiSCORE (9 детекторов уже год набирают данные, этой осенью добавим еще 24 детектора). Так называемый Imaging Cherenkov Telescopes для проекта сейчас создается в ОИЯИ группой Л.Г.Ткачева, камеру делают НИИЯФ МГУ и МИФИ. Механика строится в основном в Дубне, Иркутский университет подготавливает место для установки, работает над идеями, как построить помещение для телескопа в полевых условиях. Зеркала разрабатываются университетом Гамбурга, DESY-Zeuthen хочет участвовать в создании imaging camera и собирается предоставить фотоумножители.

Коллаборация небольшая, но в ней как раз столько людей, сколько нужно, чтобы все были полностью заняты. Если потребуется, можно будет привлечь еще. Сейчас мы приобретаем и разрабатываем электронику для телескопа. Чтобы построить зеркала, обсуждаем предложения от двух фирм. В Иркутске скоро начнут делать фундамент. Все должно быть готово в 2015 году. С помощью этого телескопа вместе с HiSCORE будут проводиться уникальные исследования, то, что никто раньше не исследовал. Кроме того, такая гибридная установка будет гораздо дешевле CTA: там каждый телескоп стоит порядка полмиллиона евро, мы хотим делать телескоп в 4-5 раз дешевле. Вместо 40 телескопов мы бы могли построить 10, и установка была бы мощнее, потому что организована она будет по новому принципу, когда телескоп работает в режиме совпадения с детекторами HiSCORE. Есть еще одна компонента - мюонная, пока в наличии 100 кв. метров, но мы хотим увеличить площадь по крайней мере на порядок.

- Что обещают человечеству такие дорогостоящие установки?

- В так называемой чистой науке, как показывает практика, вначале трудно предсказать, в чем, кроме познания, будет выигрыш. Как правило, в течение 10 лет бывает отдача, но незапланированным образом. Например, в конце 90-х мы разрабатывали вместе с Hamamatsu (Япония) новые световые детекторы для наших телескопов, так называемые лавинные диоды. В конце концов мы применили их в прототипе small-animal PET, позитронно-эмиссионной томографии, это первый инструмент для диагностики рака. И теперь все большие фирмы выпускают PET, работающие по тому принципу, который мы разработали. Сейчас история повторяется - вместе с командой профессора Бориса Анатольевича Долгошеина из МИФИ мы разработали фотодетектор SiPM, который используем в телескопах, и все новые томографы будут делаться на их основе, потому что у них есть специальное свойство, сверхбыстрый тайминг, позволяющий уменьшить фон при помощи технологии Time of Flight. То есть при создании установки разрабатываются новые технологии, которые можно использовать в совершенно другой области.

Поэтому я считаю, что чистая наука всегда окупается. Нельзя говорить: вы пускаете деньги на ветер, - от фундаментальных исследований обязательно будет отдача в десятикратном и более размере. Еще один пример. Я улучшал параметры фотоумножителей для установки CTA, работал с двумя крупнейшими компаниями Hamamatsu (Япония) и Electron Tubes Enterprises (Великобритания). Мы улучшили их чувствительность процентов на 80 по сравнению с тем, что было достигнуто 10 лет назад. И сейчас фирмы, которые производят гамма-камеры для медицины, будут использовать эти ФЭУ, потому что они позволяют снизить дозу рентгеновского облучения при диагностике заболеваний внутренних органов. Таким образом наши исследования помогают решать другие проблемы. Для меня это очень важно.

Материал подготовила Галина МЯЛКОВСКАЯ