​На астрофизическом полигоне Иркутского государственного университета завершено создание пилотного комплекса гамма-обсерватории TAIGA. Эта уникальная установка — один из крупнейших и наиболее чувствительных инструментов в мире для решения задач в области астрофизики высоких энергий — возможно, станет началом Новой физики, находящейся за пределами Стандартной модели​. 
  
Гамма-обсерватория занимает территорию площадью один квадратный километр. В дальнейшем планируется не только усовершенствовать этот комплекс, но и построить новый, гораздо более грандиозный по масштабам и чувствительности. 

Информация, поступающая из дальнего космоса и улавливаемая детекторами экспериментальной установки, поможет узнать многие тайны Вселенной, внесет вклад в понимание фундаментальных законов природы, а возможно, станет началом Новой физики, находящейся за пределами Стандартной модели. 

«Результаты исследования потоков гамма-квантов сверхвысоких энергий станут важным вкладом в понимание того, как произошла и развивалась Вселенная, помогут лучше разобраться в эволюции звезд, в природных механизмах ускорения частиц до энергий, в тысячи и миллионы раз превышающих энергии, до которых разгоняются протоны в Большом адронном коллайдере, — рассказал “Стимулу” декан физического факультета Иркутского государственного университета (ИГУ), соруководитель проекта TAIGA профессор Николай Буднев. — Обнаружение гамма-квантов сверхвысоких энергий может стать ключом к пониманию природы темной материи и указанием на нарушения лоренц-инвариантности, явлений, не описываемых в рамках так называемой Стандартной модели элементарных частиц». 

Этот проект относится к разряду мегасайенс, а реализует его международный коллектив ученых. Кроме головной организации — ИГУ — в проект входят Московский, Новосибирский и Алтайский государственные университеты, Московский инженерно-физический институт, Институт ядерных исследований РАН, Институт ядерной физики СО РАН, Объединенный институт ядерных исследований (Дубна), DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), Гамбургский университет, другие российские и европейские научные организации и университеты. 

Budnev N-IGU.jpg
Декан физического факультета ИГУ, соруководитель проекта TAIGA, профессор Николай Буднев (ИГУ)

ГАММА-КВАНТЫ ИЗ ДАЛЕКОГО КОСМОСА 

Вся Вселенная пронизана космическими лучами — это энергичные потоки заряженных частиц, разогнанных мощными электромагнитными полями космических объектов. В этих же объектах рождаются гамма-кванты — фотоны с энергиями на много порядков большими, чем у фотонов видимого света, которые воспринимает человеческий глаз. 

Ученым важно понимать, откуда пришли космические лучи. Заряженные частицы на своем пути отклоняются межзвездными и межгалактическими магнитными полями, и это сильно затрудняет определение источника, который их излучает. Но на гамма-кванты магнитные поля не действуют, они двигаются только по прямой, поэтому точно указывают на местоположение источника. 

​ Этот проект относится к разряду мегасайенс. Кроме головной организации — Иркутского государственного университета — в проект входят Московский, Новосибирский и Алтайский государственные университеты, Московский инженерно-физический институт, Институт ядерных исследований РАН, Институт ядерной физики СО РАН, Объединенный институт ядерных исследований (Дубна), DESY, Гамбургский университет, другие российские и европейские научные организации и университеты 

Из-за непрозрачности атмосферы для частиц высоких энергий (как ядер, так и гамма-квантов) их невозможно наблюдать с поверхности Земли. При этом каждая из таких частиц при попадании в атмосферу в результате множественных каскадных реакций рождает широкий атмосферный ливень (ШАЛ), достигающий поверхности Земли в виде потока электронов, протонов, фотонов, мюонов, мезонов и других частиц. 

Информацию об энергии и направлении прихода первичных гамма-квантов можно восстановить, анализируя свойства черенковского излучения ШАЛ. Черенковское излучение — это слабое голубое свечение, вызванное быстрыми заряженными частицами, которые двигаются в прозрачной среде со скоростью выше скорости света в этой среде. В 1958 году советские ученые Павел Черенков, Игорь Тамм и Илья Франк были удостоены Нобелевской премии по физике с формулировкой «За открытие и истолкование эффекта Черенкова». 

Именно черенковское излучение наблюдается наземными гамма-телескопами (поэтому такие телескопы еще называют черенковскими, или IACT, Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope). Наземные черенковские телескопы позволяют восстановить параметры гамма-квантов, такие как энергия и направление прихода, а также выделить порожденные гамма-квантами ШАЛ из фона ШАЛ, порожденных заряженными частицами (ядрами), путем анализа регистрируемых ими изображений ШАЛ в черенковском свете. 

TAIGA-IACT.jpg 
Первый атмосферный черенковский телескоп установки TAIGA-IACT гамма-обсерватории TAIGA (ИГУ)

УЗНАТЬ ТАЙНЫ ГАММА-КВАНТОВ 

«Гамма-обсерватория TAIGA (Tunka Advanced Instrument for Gamma Astronomy and cosmic ray physics) — это комплекс совместно работающих установок, регистрирующих разными методами различные компоненты широких атмосферных ливней, развивающихся после взаимодействия ядер (исторически космических лучей) и гамма-квантов высоких энергий с атомами атмосферы на высотах от тридцати до пятидесяти километров», — пояснил Николай Буднев. ​

По словам ученого, уникальный комплекс предназначен для исследования частиц, приходящих из далекого космоса и несущих уникальную информацию о процессах, сопровождающихся выделением гигантской энергии. Это такие процессы, в которых за одну секунду может выделиться энергия, сопоставимая с тем количеством, которое выделяет в год миллиард Солнц. 

Чем выше энергия гамма-квантов и ядер, тем меньше их попадает на Землю, поэтому для накопления значимой статистики, необходимой для определения природы астрофизических источников гамма-квантов и частиц сверхвысоких энергий, необходимы установки, площадь которых измеряется квадратными километрами.

​Развертывание запланированных в первоначальном плане детекторов пилотного комплекса гамма-обсерватории TAIGA завершено. Следующим шагом должно стать создание установки площадью 10 кв. км и на большей высоте относительно уровня моря. Ее возможным расположением могут стать верховья Тункинской долины или местность сразу за границей с Монголией 

Пилотный комплекс гамма-обсерватории TAIGA включает в себя: 

— установку TAIGA-HiSCORE в составе 120 станций, распределенных с шагом 106 м на площади порядка 1 кв. км. Они предназначены для измерения время-амплитудных характеристик черенковских импульсов ШАЛ, по этим данным восстанавливаются с высокой точностью направление движения и энергия гамма-квантов и ядер, породивших ШАЛ;
— установку TAIGA-IACT в составе трех атмосферных черенковских телескопов. Каждый из них имеет составное зеркало общим диаметром 4,3 м, в фокусе которого находится сверхбыстрая высокочувствительная камера, регистрирующая форму черенковского изображения ШАЛ. По свойствам этих изображений определяется тип частицы, породившей ШАЛ, то есть происходит выделение ШАЛ от гамма-квантов из фона, создаваемого ядрами. 

«Именно исследование астрофизических ускорителей сверхвысоких энергий путем регистрации потоков гамма-квантов от этих источников — главная цель создания гамма-обсерватории TAIGA, — поясняет Николай Буднев. — Дополнительное подавление фона, создаваемого ядрами, осуществляется путем измерения числа мюонов и электронов ШАЛ с помощью сцинтилляционных установок TAIGA-Muon и Tunka-Grande. Для получения качественных экспериментальных данных очень важно, чтобы все детекторы и установки гамма-обсерватории TAIGA были синхронизированы с точностью не меньше одной наносекунды. Это достигается с помощью двух параллельно работающих систем синхронизации, в том числе разработанной для Большого адронного коллайдера технологии White Rabbit, предоставленной немецкими участниками коллаборации TAIGA из DESY». 

При помощи гамма-обсерватории TAIGA ученые уже успешно регистрируют потоки гамма-квантов, которые практически недоступны для исследования с использованием других установок, получают уникальные данные о многих астрофизических явлениях и проверяют принципиально новые методы и подходы для исследования космических частиц. 

TAIGA-HISCORE.jpg 
Одна из 120 оптических станций широкоугольной черенковской установки TAIGA-HiSCORE гамма-обсерватории TAIGA (ИГУ)

НОВАЯ ГАММА-ОБСЕРВАТОРИЯ 

Развертывание запланированных в первоначальном плане детекторов пилотного комплекса гамма-обсерватории TAIGA завершено. Следующим шагом должно стать создание установки площадью 10 кв. км и на большей высоте относительно уровня моря. Ее возможным расположением могут стать верховья Тункинской долины или местность сразу за границей с Монголией. Последнее, считают ученые, по ряду характеристик и параметров гораздо предпочтительнее. 

Как рассказал Николай Буднев, исследователи получили совместный российско-монгольский грант на подготовку проекта такой установки:  

«Думаю, на его разработку уйдет два-три года, после этого мы сможем начать развертывание новой гамма-обсерватории — по времени это займет порядка пяти-семи лет. Все это вполне реально, так как в проект заложены уникальные идеи, которые позволят иметь совершенно конкурентоспособную на мировом уровне установку. Еще один существенный нюанс, позволяющий говорить о реальности проекта, — невеликий по сравнению с другим и крупными проектами объем необходимого финансирования; достигается это за счет использования новых технологий и методик». ​

Сейчас одна из важнейших задач для международной коллаборации TAIGA — создание сверхчувствительных камер на основе полупроводниковых детекторов для регистрации слабых вспышек света. Разработка таких камер чрезвычайно важна не только для астрофизических исследований, но и с точки зрения использования их в других науках, медицине и высокотехнологическом секторе экономики. 

«В настоящее время вспышки света от ШАЛ в гамма-обсерватории TAIGA регистрируются с помощью детекторов на основе вакуумных фотоэлектронных умножителей, — пояснил Николай Буднев. — Камеры на базе полупроводниковых фотоумножителей обладают рядом преимуществ во многих случаях. Для нас важно, что они имеют более высокую чувствительность для коротковолнового черенковского излучения ШАЛ и меньшую чувствительность для света от Луны и звезд, что благоприятно для уменьшения фона и позволит увеличить время наблюдений за счет работы при наличии Луны. Сейчас мы можем проводить измерения только в безлунные периоды». ​​

«Очень важно, — отметил ученый, — что в проекте активно участвуют студенты и аспиранты ИГУ. В нашем коллективе более 70 процентов сотрудников моложе 39 лет. Именно студенты, аспиранты и молодые сотрудники Иркутского государственного университета выполнили основную часть работ по развертыванию пилотного комплекса гамма-обсерватории TAIGA, а теперь они ведут измерения, обрабатывают и анализируют экспериментальные данные». ​

Автор: Алексей Андреев.​ 

Источник: stimul.online

Источники

Иркутская TAIGA проверит физику на прочность
Стимул (stimul.online), 26/04/2021

Похожие новости

  • 23/09/2020

    TAIGA признана выдающейся российско-немецкой коллаборацией

    Ученые России и Германии получили престижную награду на заключительной церемонии Года российско-немецкого сотрудничества в области науки и образования. Ученые Института ядерных исследований РАН работают над сооружением обсерватории TAIGA (Tunka Advanced Instrument for Cosmic Ray and Gamma Astronomy) в Сибири, в Тункинской долине, в коллаборации с коллегами из других российских и немецких институтов.
    803
  • 18/02/2021

    Создание уникальной гамма-обсерватории TAIGA в Тункинской долине успешно завершено

    На астрофизическом полигоне Иркутского государственного университета завершено создание пилотного комплекса гамма-обсерватории TAIGA – уникальной установки, одного из крупнейших и наиболее чувствительных инструментов для решения задач в области астрофизики высоких энергий.
    696
  • 18/05/2021

    Гамма-обсерватория TAIGA. Новый уровень

    Как изучаются самые мощные объекты во Вселенной и какую информацию из космоса несут гамма-кванты, что из себя представляют детекторы, их улавливающие, и на каком уровне находится сегодня развитие крупнейшей в мире гамма-обсерватории TAIGA – подробно об этом рассказали ученые-физики Иркутского государственного университета журналистам региональных и федеральных СМИ.
    1534
  • 10/07/2019

    В России пройдут испытания новой модели сверхзвукового самолёта

    В России в 2019 году пройдут испытания модели сверхзвукового делового самолета разработки "Туполева" со сниженным уровнем звукового удара. Его испытают в аэродинамической трубе, сообщил "Интерфаксу" источник в авиапроме.
    2066
  • 09/07/2021

    Год науки и технологий/Наука и университеты: Специализированные учебные научные центры погружают детей в прикладную науку

     В Год науки и технологий Правительство РФ внесло на рассмотрение Государственной Думы законопроект о финансировании специализированных учебных научных центров (СУНЦ) из федерального бюджета, а не через систему грантов, как это было раньше.
    1151
  • 12/08/2021

    Отечественное изобретение позволит отказаться от клепок на фюзеляжах самолетов

     В новосибирском Академгородке более чем в 2 раза увеличили прочность лазерного сварного соединения алюминия и титана, применяемых в авиастроительной промышленности.   В 2020 году сотрудники Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) применили синхротронное излучение для анализа характеристик сварного соединения алюминия и титана и, благодаря полученным данным, усовершенствовали процесс лазерной сварки.
    370
  • 22/01/2020

    РАН хочет просить кабмин ускорить начало финансирования проекта уникального синхротрона

    ​Президиум Российской академии наук должен будет обратиться в правительство РФ с просьбой ускорить начало финансирования строительства в Новосибирске уникальной "меганаучной" установки, синхротрона четвертого поколения СКИФ, заявил президент РАН Александр Сергеев.
    1359
  • 22/04/2021

    «Машина времени»: модернизированная установка позволит заглянуть в прошлое на миллионы лет

    Ускорительная масс-спектрометрия (УМС) – сверхчувствительный метод изотопного анализа, при котором производится тщательная селекция атомов вещества с подсчётом интересующих нас изотопов. Метод позволяет с высокой точностью датировать археологические находки и геологические породы, изучать состав атмосферы и ткани живых организмов разных исторических периодов.
    956
  • 12/04/2021

    Сибирские ученые — космосу

    ​Научная сессия апрельского Общего собрания СО РАН была посвящена 60-летию полета Юрия Гагарина в космос и объединена названием «Ученые Сибири на службе космической отрасли».  Председатель Сибирского отделения РАН, глава Объединенного ученого совета по химии СО РАН академик Валентин Николаевич Пармон перечислил ряд работ, выполненных химиками в интересах космоса.
    1510
  • 16/04/2021

    Разработки самого высокого полета

     Каждый восьмой грант, получаемый учеными региона, посвящен аэрокосмическим исследованиям. Новосибирские ученые вносят большой вклад в освоение космоса: тренажер для стыковки космических аппаратов, технология для изготовления солнечных батарей на орбите и на Луне, катализаторы орто-пара-конверсии водорода, аэродинамические исследования перспективного российского многоразового космического корабля «Орел» — вот далеко не полный перечень разработок, рожденных в Сибири.
    855