Уникальный экспериментальный комплекс для исследования космических лучей: что общего у Москвы, Южного Полюса и Пампы
История исследований космических лучей в Московском инженерно-физическом институте началась еще в 60-х годах прошлого столетия, когда на улице Кирова (ныне Мясницкой улице) был создан ионизационный калориметр, состоящий из детекторов частиц, проложенных 40 тоннами железа в качестве поглотителя. В конце 80-х годов лаборатория получила мощный толчок к развитию за счет постройки на территории университета бассейна объемом 2000 кубических метров для создания уникального черенковского Нейтринного Водного Детектора (НЕВОД). Уникальным его делало надземное расположение: все когда-либо существовавшие и действующие детекторы нейтрино космических лучей находятся глубоко под землей, под толщей льда или воды. Это необходимо для отсечения фона, потока заряженных космических лучей. Он довольно велик: через квадратный метр поверхности Земли проходит полторы сотни заряженных частиц в секунду. А вот нейтринные события, которые ищут физики, на той же площади происходят в 10 миллиардов раз реже. Найти нейтринное событие в таком потоке не просто, так как в этой ситуации обычная частица вполне может сымитировать нейтрино.
Запущенный в 1993 году черенковский водный детектор, благодаря использованию квазисферических измерительных модулей (КСМ) и затейливой системе отбора событий, успешно доказал свою работоспособность и смог зарегистрировать ряд нейтринных событий.
Сегодня черенковский водный детектор готовится уже ко второму этапу модернизации. В результате первого этапа в 2011 году он получил современную электронику, укомплектован новыми фотоэлектронными умножителями, а благодаря новой системе очистки детектор теперь заполняет дистиллированная вода. Очистка воды, кстати, необходима не столько для повышения прозрачности, но и для предотвращения коррозии алюминиевых корпусов КСМ.
Вернемся в 1997 год, именно тогда в строй был введен второй крупномасштабный детектор комплекса: координатно-трековый детектор ДЕКОР. Детектор состоит из 8 супермодулей, суммарной площадью 70 квадратных метров.
История создания этой установки интересна сама по себе. Каждый супермодуль ДЕКОР состоит из 8 слоёв стримерных трубок, которые ранее использовались в знаменитом эксперименте NUSEX по поиску распада протона, проведенном в 1982–1984 годах группой итальянских ученых в помещении под горой Монблан в Альпах (Mont Blanc tunnel). В результате первого итальянско-российского договора о научном сотрудничестве аппаратура детектора была доставлена в МИФИ, где сотрудниками лаборатории вокруг черенковского водного детектора был создан ДЕКОР.
Сочетание черенковского водного и координатно-трекового детекторов оказалось поистине уникальным. Комплекс НЕВОД-ДЕКОР до сих пор остается единственной в мире установкой, способной измерять количество и направление движения частиц космических лучей в трековом детекторе, а также оценить их энергию по количеству черенковского света, родившегося в воде. Это особенно важно для разрешения так называемой «мюонной загадки», которая заключается в аномально высоком числе мюонов, генерируемых первичными космическими лучами сверхвысоких энергий (то есть имеющими энергию в десятки тысяч, а и то миллионы раз выше, чем частицы в Большом адронном коллайдере). Впервые в мире установить, какие частицы ответственны за этот избыток мюонов, удалось именно по данным комплекса НЕВОД-ДЕКОР, лишь год спустя этот результат был подтвержден на знаменитом детекторе Peirre Auger в Аргентине, а затем на IceCube на Южном полюсе Земли.
Теперь перед физиками всего мира стоит вопрос о природе наблюдаемого избытка, связан ли он с включением новых физических процессов в слабоизученных взаимодействиях при сверхвысоких энергиях (например, образование сгустков кварк-глюонной плазмы). Ответ на этот вопрос можно дать только в экспериментальном комплексе НЕВОД, так как только сочетание трекового и водного детекторов позволяет оценить энергию мюонов в таких редких событиях.
Одна из ключевых особенностей экспериментального комплекса – его постоянное развитие. Новые крупномасштабные установки вводятся в строй или модернизируются примерно каждые 5 лет. Так, в начале 2000-х комплекс обогатился мюонным годоскопом УРАГАН. Он создан на основе тех же стримерных трубок, но оснащенных уже принципиально новой электроникой. Детектор способен регистрировать более 6000 треков мюонов космических лучей в секунду. Такая производительность позволила на основе его данных создать новое научное направление – мюонографию окружающего пространства.
Новая наука быстро получила несколько практических применений. Благодаря большой статистике, собираемой детектором, можно контролировать однородность потока этих частиц. Мюоны генерируются на высотах до 20 км над уровнем моря. Любые изменения давления, температуры и влажности заметно влияют на этот процесс, что незамедлительно отражается в показаниях мюонного годоскопа (например, мюонов с определенного направления, стало поступать значительно меньше).
Следующим расширением возможностей комплекса стало создание вокруг детектора НЕВОД установки для регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ). Новый детектор получил оригинальное название НЕВОД-ШАЛ. Он обладает оригинальной структурой: небольшие «домики», включающие четыре тридцатикилограммовых сцинтилляционных детектора, группируются в кластеры, разместившиеся на крышах зданий и на поверхности Земли.
Как и в случае с ДЕКОР, интересна судьба сцинтилляционных детекторов, формирующих НЕВОД-ШАЛ. Они доставлены в Москву из Германии, где работали в составе не менее известного эксперимента по изучению широких атмосферных ливней KASCADE в технологическом институте Карлсруэ.
Вскоре на крышах здания появилась новая Установка для Регистрации Атмосферных Нейтронов (УРАН), обладающая уникальной способностью регистрировать не только электромагнитную, но и адронную компоненту ШАЛ. Это была первая масштабная установка для исследования нейтронов космических лучей. Установка развитием существующего детектора нейтронов PRISMA, расположенного внутри здания и введенного в строй еще в 2012 году.
В 2013 году в МИФИ поступило интересное предложение, применить для исследования космических лучей аппаратуру с нейтринного эксперимента, проводимого еще с 1985 года на ускорителе У-70 в Институте физики высоких энергий в Протвино. После его вывода из эксплуатации высвободились сотни уникальных многопроволочных дрейфовых камер, способных с высокой точностью реконструировать треки заряженных частиц, прошедших через их объем.
На их основе был спроектирован крупнейший в мире координатно-трековый детектор ТРЕК для исследования горизонтального потока космических лучей. Его основная задача – обеспечить измерение количества частиц, попавших в воду, а также определить направление их движения. 264 дрейфовые камеры формируют две координатные плоскости, подвешенные к стальным несущим конструкциям.
Введение нового детектора в строй запланировано на 2024 год. Его совместная работа с черенковским водным детектором откроет уникальные возможности. Ни один экспериментальный комплекс в мире не способен регистрировать космические лучи в столь широком диапазоне сверхвысоких энергий: от 1014 до 1019 эВ. Для сравнения: энергия встречных пучков Большого адронного коллайдера около 1013 эВ, а диапазон крупнейшей в мире установки по регистрации космических лучей Pierre Auger в Аргентине, занимающей площадь в 3000 квадратных километров, составляет всего два порядка: от 5∙1018 до 5∙1020 эВ.
Автор материала: Егор Задеба