Тункинский эксперимент

На базе астрофизического полигона ИГУ в Тункинской долине строится уникальная гамма-обсерватория TAIGA. Сегодня там располагается комплекс установок для исследований в новой области фундаментальной науки с парадоксальным названием – астрофизика элементарных частиц. Проект является международным и не имеет аналогов в мире. На прошлой неделе в гамма-обсерватории вместе с учеными побывали корреспонденты «Областной».

От обороны – к астрофизике

В 1967 году в Тункинской долине был построен радиофизический полигон. Здесь проводились фундаментальные научные исследования оборонного характера. Перед учеными была поставлена сверхзадача – с помощью радиометодов фиксировать момент старта ракет на территории США. Проект щедро финансировался государством. Исследования проводили сотрудники большой лаборатории, которая работала в те годы в ИГУ под руководством выдающегося ученого Валерия Михайловича Полякова. Ученые достигли значительных успехов, но после распада СССР эти изыскания были закрыты.

Радиофизический полигон опустел и остался на некоторое время бесхозным. Однако Юрий Парфенов, возглавлявший в тот момент Институт прикладной физики ИГУ, предложил использовать площадку для астрофизических исследований. Первые эксперименты иркутские ученые провели здесь в 1994 году совместно с НИИ ядерной физики МГУ. Возможности исследований были сильно ограничены низким уровнем финансирования науки в 1990-е годы и проводились с использованием небольшого количества детекторов.

Развитие эксперимент получил в 2005 году, когда в него включились ученые из Туринского университета. Итальянцы предоставили 300 фотоэлектронных умножителей. Это самые главные и самые дорогие приборы, с помощью которых происходит регистрация очень слабых и коротких вспышек света (черенковского излучения), возникающих в результате взаимодействия космических частиц сверхвысоких энергий с атмосферой. Так на полигоне появилась крупнейшая в мире черенковская установка площадью 3 кв. км, которую ученые назвали «Тунка-133».

Результаты работы установки были высоко оценены международным сообществом физиков, что позволило получить в 2012 году крупный российско-немецкий грант объединения имени Гельмгольца и Российского фонда фундаментальных исследований, а также в 2013 году мега-грант правительства РФ в размере 118 млн рублей. Благодаря этому началось сооружение крупнейшей в мире гамма-обсерватории TAIGA, нацеленной на решение многих фундаментальных проблем современной астрофизики. Название обсерватории расшифровывается как Tunka Advanced Instrument for Cosmic Ray Physics and Gamma Astronomy (Тункинский передовой комплекс для изучения космических лучей и гамма-астрономии).

Сегодня в эксперименте участвуют более десяти научных и образовательных организаций из России, Италии, Германии, Румынии. К настоящему времени общий вклад иностранных участников в него превысил 300 млн рублей. Головной организацией проекта является Иркутский государственный университет.

Директор Института прикладной физики ИГУ Николай Буднев говорит, что высокая конкурентоспособность на мировом уровне привлекает в эксперимент все новых и новых российских и зарубежных участников. По сложившейся в мире практике каждый новый участник должен будет также вложиться в исследование – либо финансово, либо – оборудованием.

– У нашего проекта есть принципиальная и отличительная особенность. Дело в том, что Россия участвует во многих экспериментах в Европе. Это и Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, и крупнейший лазер на свободных электронах в Германии, и термоядерный реактор во Франции. Наша страна вкладывает в эти проекты немалые деньги. А Тункинский проект – единственный эксперимент в области физики высоких энергий на территории России, в который вкладывают деньги европейские страны, и для участия в котором к нам в Сибирь приезжают работать ученые из Германии и Италии. Убедительным свидетельством международного признания уже полученных в Тункинском эксперименте результатов как выдающихся стал следующий факт. Осенью прошлого года впервые в России и именно в Иркутске прошла конференция общеевропейской организации APPEC (Astro-Particle Physics European Consortium) – консорциума европейских правительственных ведомств и институтов из 23 стран, ответственных за организацию и финансирование исследований в области астрофизики элементарных частиц, с участием ученых с мировым именем, – рассказывает декан физического факультета ИГУ Николай Буднев.

Иголка в стоге сена

Гамма-обсерватория располагается в Республике Бурятия недалеко от деревни Торы. Здесь постоянно дежурят участники проекта. Дежурство после первой недели нового года принимают молодые ученые Дмитрий Костюнин и Олег Федоров. Дмитрий окончил физический факультет ИГУ, сейчас живет и работает в Германии в Технологическом институте Карлсруэ, но одновременно является и сотрудником ИГУ. Он участвует в проекте несколько лет, на установке бывает несколько раз в год. Олег Федоров – аспирант физического факультета ИГУ. В Тунке бывает чаще – примерно раз в месяц. Данные, получаемые в гамма-обсерватории, молодой человек использует для написания кандидатской диссертации.

Из Иркутска до гамма-обсерватории мы добираемся на машине. Через три часа почти на месте. Сворачиваем с основной трассы, и перед нами появляется первое деревянное здание.

– Это обсерватория Института солнечно-земной физики СО РАН, наша обсерватория находится чуть дальше, – объясняет Дмитрий.

Гамма-обсерватория с трех сторон окружена Саянами. Она состоит из нескольких зданий, где живут и работают ученые, и собственно самих установок. Сразу по приезду нас встречают два добродушных пса – Бася и Рыжий. Вслед за ними на звук подъехавшей машины и лая выходит ученый из Новосибирска Евгений Кравченко, который работает здесь уже неделю.

Евгений Кравченко – заведующий лабораторией Новосибирского государственного университета и старший научный сотрудник Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН. Приезжает в Тунку уже в третий раз. Во время первых двух визитов знакомился с гамма-обсерваторией и ее техническими параметрами. По результатам этих визитов в начале 2016 года Новосибирский госуниверситет совместно с Институтом ядерной физики СО РАН приняли решение вступить в коллаборацию. Как и полагается, члены международного проекта участвуют в общих делах, таких, как дежурство на объекте. Евгений является руководителем группы от Новосибирска, поэтому решил дежурить первым, тем более что имеет опыт участия в других экспериментах в Новосибирске и за рубежом. Говорит, что очень интересно поучаствовать в российском эксперименте такого масштаба.

– Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН – это известный центр ускорительной техники, у нас сильная школа и группа по детекторам частиц. Вместе с другими учеными я участвую в разработке мюонных детекторов для гамма-обсерватории в Тункинской долине. Это серьезная задача. Нам предстоит сделать две тысячи счетчиков, причем сделать так, чтобы они были доступными по цене. Сейчас мы заканчиваем изготовление прототипа и примерно через месяц первый счетчик привезем сюда, подсоединим к установке, чтобы проверить в условиях реального эксперимента, – рассказал Евгений Кравченко.

Евгений жил в Тунке неделю. За это время никаких проблем не возникало, оборудование работало без сбоев.

Строение, где живут ученые зимой, состоит из нескольких небольших комнат: спальня, кухня, рабочие кабинеты, коридор. Входя сюда, будто возвращаешься в советские времена. В комнатах многочисленные полки с пожелтевшими от времени книгами, панцирная кровать, старые, но добротные стол, стулья. О современности напоминают только спутниковая тарелка, компьютеры, телевизор и бытовая техника – чайник, микроволновка, мультиварка. Чуть подальше находится еще одно здание – там ученые живут летом. Помещение имеет несколько отдельных комнат с мебелью, кроватью и санузлом.

Пока Евгений собирается к отъезду, Дмитрий и Олег идут показывать нам установки. Правда, первое, что бросается в глаза, это живописная природа вокруг. С трех сторон гамма-обсерваторию окружают горы Саян, огибает река Иркут. Идеальные условия для наблюдений и днем, и ночью: небо над головой ясное, воздух прозрачный.

Во Вселенной есть стабильные процессы, протекающие практически без изменений миллионы лет, как например, горение Солнца. А есть нестабильные, например, взрывы сверхновых, слияние двух нейтронных звезд или поглощение черной дырой звезды. В результате этих процессов выделяются частицы очень высоких энергий, которые из космоса постоянно оказываются и в окрестности Земли. Но до нашей планеты они не долетают, на высоте 40–50 км взаимодействуют с атмосферой, после чего ядра атомов воздуха разбиваются на осколки, которые летят дальше, вновь сталкиваются с атомами воздуха, рождаются новые частицы и так далее. В конце концов к Земле подлетает огромное количество различных частиц – ученые называют это широким атмосферным ливнем. Он включает в себя частицы разного вида, а также черенковский свет и радиоизлучение, которые ученые регистрируют различными приборами, а по полученным данным восстанавливают направление прихода первичной космической частицы, ее энергию и тип, то есть было это какое-то ядро или гамма-квант.

Именно гамма-кванты наиболее интересны для ученых, поскольку они сохраняют по мере движения в космосе направление на источник, где они родились. Траектории других заряженных частиц искривляются магнитными полями, существующими в Галактике, и направление на источник излучения забывается.

Выделить гамма-кванты из летящего на Землю потока частиц – сложная техническая задача, потому что различных заряженных частиц в тысячу раз больше. Это примерно то же самое, что искать иголку в стоге сена, говорят ученые.

Подобные проекты реализуются в нескольких странах. Но Тункинский эксперимент имеет свои отличия и преимущества. Во-первых, здесь есть возможность регистрировать все компоненты атмосферного ливня – то есть все виды излучений и частиц, которые долетают до Земли. Причем делать это можно разными методами. Во-вторых, благодаря сочетанию детекторов разного типа проект является наиболее дешевым и эффективным способом по сравнению с другими подходами, которые существуют сегодня в мире. По оценкам иркутских ученых, стоимость одного квадратного километра установки будет примерно в 10 раз меньше, чем в двух альтернативных зарубежных проектах.

Главным источником гамма-квантов высоких энергий является Крабовидная туманность, от которой идет наиболее мощное излучение. Пока установка относительно небольшая, она нацелена именно на этот объект. В будущем планируется исследовать многие другие уже известные объекты, и наверняка будут открыты новые. Для этого будет повышаться чувствительность установки путем увеличения количества детекторов.

Практическая польза

Пока в рамках эксперимента активно работают четыре установки. В прошлом году было положено начало созданию пятой, в состав которой войдет не менее 10 телескопов с зеркалами диаметром 4,3 м. Сейчас идет освоение и отладка этой сложнейшей машины со сверхбыстрой и сверхчувствительной камерой из 547 фотоэлектронных умножителей. В конце прошлого года уже началось строительство второго такого телескопа.

Ученые говорят, что эксперимент может развиваться и дальше, все зависит от финансирования. Сейчас ведется работа, чтобы получить средства на проект от Министерства образования и науки РФ.

Николай Буднев объясняет, что главная цель эксперимента фундаментальная: узнать основные законы эволюции Вселенной и свойств элементарных частиц. Вот такие две крайности вместе, поэтому и называется наука астрофизикой элементарных частиц. Из космоса приходят частицы, энергия которых в миллиарды раз больше той, которую можно достигнуть на Большом адронном коллайдере. Но природа источников таких сверхвысоких энергий неизвестна. Тункинская гамма-обсерватория сможет регистрировать частицы все более и более высоких энергий. Это позволит изучать свойства, физические процессы, законы и механизмы генерации такой гигантской энергии. Кто знает, может, когда-то это станет основой энергетики будущего.

Впрочем, созданные для фундаментальных целей мощные установки зачастую дают «побочный эффект» – решают совершенно прикладные задачи. Так произошло и с гамма-обсерваторией. Во время эксперимента выяснилось, что Тункинская установка регистрирует свет от мощного лазера, установленного на Международной космической станции (МКС). Этот лазер используется для зондирования атмосферы. Совершенно очевидно, что регистрация света от лазера поможет получить много новой информации о процессах в атмосфере и ионосфере. Причем речь идет о такой информации, которую трудно добыть какими-то другими способами. Поэтому участники Тункинского эксперимента планируют в ближайшее время наладить взаимодействие с институтами, которые изучают атмосферу и ионосферу.

Большие перспективы

Ученые отзываются о местных тепло – очень культурный и цивилизованный народ. За годы существования проекта ни разу ничего из дорогостоящего и уникального оборудования не украдено и умышленно не сломано. Правда, защищаться все равно приходиться, но не от людей, а от… коров.

– Коровы слишком любопытные, и им почему-то нравится сжевывать наши кабели или чесаться о детекторы. Но что тут поделаешь? Коров мы не обижаем, – улыбается Николай Буднев.

Два года назад появилась еще одна проблема. Во всех близлежащих деревнях сделали освещение, в некоторых – лампами желтого цвета, а в Торах, как назло, голубого. А голубой свет мешает работать фотоумножителям, которые регистрируют гамма-кванты. Ученые планируют договориться с властями, чтобы лампы заменили на желтые, которые не мешают работе оборудования.

Николай Буднев говорит, что проектов, сравнимых по масштабу с гамма-обсерваторией TAIGA, во всем мире не больше десяти. Но тункинский эксперимент принципиально отличается своим уровнем, методиками и возможностями. Впрочем, в это нетрудно поверить. Ведь, наверное, не зря так получилось, что именно здесь удачно сложились два условия: природа Тункинской долины и сильный, талантливый коллектив ученых ИГУ, без которого проводить такие эксперименты было бы просто невозможно.