Физики запустили в Казахстане установку по изучению космических лучей

С помощью установки «Горизонт» специалисты ТШВНС ФИАН намерены проверить факт существования аномальных широких атмосферных ливней (ШАЛ) при энергиях выше 10¹⁶ эВ. Широкий атмосферный ливень – каскад вторичных частиц (адронов, мюонов, гамма-квантов), который возникает от «удара» «об атмосферу» частицы, прилетающей на Землю в составе космических лучей. Это название связано с тем, что вторичные частицы, возникающие в результате взаимодействий и распадов, могут быть зарегистрированы на достаточно больших расстояниях от оси ШАЛ – прямой, совпадающей с направлением движения первичной частицы. Регистрация ШАЛ – весьма эффективный метод изучения космических лучей, особенно наиболее высокоэнергетичных. Аномальные ШАЛ были впервые зарегистрированы в эксперименте «ВЭГА», они характеризуются импульсами черенковского излучения с двумя и даже тремя максимумами, разнесенными на 100 и более наносекунд. Существование таких запаздывающих «двойных» ливней пока не укладывается в рамки современного понимания космических лучей.

«Что такое ливень? Очень высокоэнергичная частица провзаимодействовала где-то в атмосфере с атомом из воздуха и всю энергию сбросила во вторичные частицы. Эти частицы летят и – вследствие взаимодействия излучения с веществом – испускают так называемый черенковский свет. Именно эти вспышки или импульсы и регистрируются различными наземными детекторами. Новая установка даст возможность с большой точностью зарегистрировать двойные разнесенные импульсы. То есть увидеть вспышку – пучок света, и через какое-то время, от ста до пятисот наносекунд, – вторую вспышку. Вообще говоря, с точки зрения физики космических лучей, это некий нонсенс… По теории вероятности подобная частота статистически немыслима. Кроме того, “Горизонт” позволяет исследовать самые высокоэнергичные частицы, а это одна из наиболее актуальных задач современной физики. Ведь частота такого события – появления частиц, например, 10²⁰ эВ, – один раз в 100 лет на один квадратный километр» – говорит руководитель отдела космический излучений ФИАН, доктор физико-математических наук Владимир Рябов.

Моделирование показало, что сравнительно простая и недорогая высокогорная установка с четырьмя разнесенными на 3 км друг от друга черенковскими детекторами может собирать широкие атмосферные ливни с эффективной площади около 10 000 км² при энергиях первичной частицы порядка 10²⁰ эВ. Это возможно за счет значительного расширения конуса черенковского излучения от далеко (сотни километров) начавшихся ливней.

Первая очередь установки «Горизонт» состоит из оптической части и двух сцинтилляционных детекторов. Оптическая часть – это два параболических зеркала диаметром 150 см с фокусным расстоянием 639 мм. В фокусе зеркал размещены фотоумножители ФЭУ-49Б. Оси зеркал параллельны друг другу с точностью ±0.2 градуса. Зеркала (угол видения каждого составляет 13 градусов) установлены на поворотном устройстве, которое позволяет регистрировать излучение Вавилова-Черенкова от широких атмосферных ливней, оси которых приходят под зенитными углами от 0 до 75 градусов.

На расстоянии 20 м от оптической системы под углом 45 градусов к вертикали расположены два сцинтилляционных детектора площадью 1 м² каждый. Световая вспышка в сцинтилляционном детекторе регистрируется фотоэлектронным умножителем ФЭУ-49Б.

Такая синхронизированная стереопара позволяет поймать сигналы, которые совпали во времени и на черенковском зеркале, и на сцинтилляционном детекторе. В 22 событиях (из 1191 зарегистрированного) было обнаружено прохождение через детекторы заряженных частиц. Все импульсы, как с зеркал, так и со сцинтилляционных детекторов, имели длительности около 30 нс. Предварительный анализ полученных экспериментальных данных показал, что первичные частицы, вызвавшие зарегистрированные на установке ливни, имели энергии выше 10¹⁶ эВ. Импульсы с двумя и тремя максимумами пока обнаружены не были. В настоящее время исследователи накапливают статистику, чтобы сделать окончательные заключения по поводу существования запаздывающих ливней.