Забросили НЕВОД: как в МИФИ ловят космические ливни

60 лет назад в МИФИ открылась лаборатория для изучения окологоризонтального потока мюонов космических лучей. С тех пор исследования в этой области шагнули далеко вперед, и сегодня в лаборатории решают «мюонную загадку», которую старая физика объяснить не в состоянии. Помогают ученым тончайшие детекторы экспериментального комплекса «НЕВОД». Что же им ловят?

Тайны Вселенной

«Почему интересно регистрировать космическое излучение высоких энергий? Есть два основных аспекта, — ​рассказывает доцент отделения ядерной физики и технологий НИЯУ «МИФИ», инженер-­исследователь НОЦ «НЕВОД» Семен Хохлов. — ​Первый — ​космофизический. Пока мы не разберемся с источниками космических лучей, мы не сможем понять физических основ Вселенной, процессов в недрах нейтронных звезд, активных ядрах галактик и в других массивных объектах. Второй аспект — ​энергетический. Мы до сих пор не понимаем, как космические лучи ускоряются».

Заряд космических частиц — ​порядка 10⁷ ТэВ. Это в миллионы раз больше, чем на Большом адронном коллайдере — ​он разгоняет частицы только до 8 ТэВ. Изучение таких высокоэнергетических частиц на земных ускорителях попросту невозможно, подчеркивает Семен Хохлов.

Детекторы для энергичных частиц

Частицы космических лучей достигают окрестностей нашей планеты и в верхних слоях атмосферы соударяются с ядрами азота и кислорода. В результате рождается множество вторичных частиц — ​пионов и каонов, каждая из которых, пролетев еще немного, встречается с другими ядрами азота и кислорода. Столкновения повторяются, и от одной частицы рождаются миллионы других. Такие каскады называют широкими атмосферными ливнями.

В процессе формирования и развития ливней часть пионов и каонов распадается, образуются мюоны, которые слабо взаимодействуют с атмосферой и доходят до Земли. По количеству, составу и энергиям вторичных частиц в широком атмосферном ливне можно понять, какой была первичная частица и какую она имела энергию. В МИФИ разработан собственный, уникальный метод исследования, основанный на измерениях мюонной компоненты на комплексе «НЕВОД-ДЕКОР».

Комплекс начал работу в 1994 году. Тогда он состоял из черенковского водного детектора объемом 2 тыс. м³. Это первый в мире детектор на поверхности Земли, предназначенный для исследования основных компонентов космических лучей, в том числе нейтрино.

Фокус интереса ученых МИФИ направлен на мюоны, которые движутся горизонтально: они мостик к частицам первичных космических лучей более высоких энергий. Такие мюоны могут проходить в атмосфере до 600 км. Детекторов НЕВОДа достигают только самые энергичные из них.

Черенковский водный детектор позволяет оценивать энергию частиц, поэтому его часто называют калориметром. Позже ЧВД окружили координатно-­трековым детектором «ДЕКОР». Это российско-­итальянская установка из восьми модулей, которые с высокой точностью регистрируют углы и координаты движения частиц.

На крышке бассейна ЧВД располагаются датчики установки регистрации широких атмосферных ливней «ПРИЗМА». На крышах корпусов МИФИ размещены блоки детекторов установки «НЕВОД-ШАЛ», которая охватывает площадь 1 га, и установки «УРАН», которая регистрирует электронно-­фотонную и нейтронную компоненты ливня.

Мюонная загадка

В 2002 году на комплексе «НЕВОД-ДЕКОР» началось исследование групп мюонов. Через несколько лет стало ясно, что экспериментальные данные по количеству наблюдаемых групп мюонов противоречат всем существовавшим на тот момент моделям ядро-ядерных взаимодействий.

«Благодаря нашим техническим возможностям мы и сделали главное открытие — ​сформулировали «мюонную загадку», — ​рассказывает Семен Хохлов. — ​Атмосферу под большими зенитными углами могут пройти только группы мюонов. Протоны и фотоны успевают поглотиться. Предсказания на таком субатомном уровне делаются исключительно по сложным физическим моделям или программам. Мы взяли все известные программы и выяснили, что они предсказывают, что мюонов должно быть на 30 % меньше, чем регистрируют наши детекторы. В 2008 году, когда мы этот результат объявили, нам не поверили. Но потом данные подтвердились в обсерватории Пьера Оже в Аргентине и на детекторах Ice Cube в Антарктиде. На сегодняшний день пять независимых экспериментов привели к тем же результатам. Огромное количество внеплановых мюонов может объясняться либо наличием неких пока неизвестных частиц в космическом излучении, либо появлением особого состояния материи при прохождении ливня через земную атмосферу. Это уже заявка на проявление новой физики, за пределами Стандартной модели».

На службе новой физике

ДЕКОР площадью 70 м² перекрывает только часть черенковского водного калориметра. Для регистрации максимального числа мюонов необходимо перекрыть детекторами все 2000 м² бассейна. В Институте физики высоких энергий (входит в НИЦ «Курчатовский институт») освободились дрейфовые камеры, которые хорошо себя показали при регистрации космических лучей. Так у НЕВОДа появилась возможность собрать новый детектор — ​ТРЕК.

Помимо размера у ТРЕКа еще одно преимущество — ​более острое «зрение». ­ДЕКОР не в состоянии различить мюоны, проходящие ближе, чем в 3 см друг от друга. У ТРЕКа этот показатель — ​3 мм. Полностью собрать ТРЕК планируется в конце 2023 года. Первые эксперименты — ​в 2024 году. «Мы получим детектор существенно большей точности, что позволит вплотную подойти к решению «мюонной загадки», — ​уверен Семен Хохлов.

СПРАВКА

Космические лучи (космическое излучение) — ​частицы, заполняющие межзвездное пространство и постоянно бомбардирующие Землю. Хотя в состав космических лучей входят и нейтральные частицы (особенно много фотонов и нейтрино), космическими лучами обычно называют именно заряженные: позитрон, мюон, пион и др.
Мюоны — ​это нестабильные элементарные частицы, которые имеют отрицательный заряд и спин ½. Продолжительность их жизни по сравнению с другими элементарными частицами относительно велика — ​2,2 мкс.

Хотите быть в курсе новых технологических прорывов в области энергетики? Присоединяйтесь к Homo Science! На этой научно-просветительской платформе ученые, эксперты и популяризаторы науки рассказывают удивительно интересно и просто о самых сложных научных темах.