Ливни сверхвысоких энергий Как устроена высокогорная научная станция института Лебедева

Высокогорная научная станция Физического института Лебедева была организована в 1957 году. Она располагается на перевале Жусалы-Кезень в горах Тянь-Шань, примерно в 30 километрах от Алма-Аты.

Главная задача станции — регистрация космического излучения высоких энергий. Станция находится на высоте 3336 метров над уровнем моря: на такой высоте атмосфера сравнительно прозрачна для высокоэнергетических частиц космического излучения.

Станция принадлежит российскому институту имени Лебедева

Одним из основных объектов исследования на станции являются так называемые широкие атмосферные ливни. Они представляют собой каскадные потоки элементарных частиц (преимущественно электронов), образовавшихся в результате столкновения космического излучения с атмосферой Земли.

Для изучения характеристик исходной частицы необходимо наблюдение на максимально большой площади — у самой земли площадь типичного ливня может составлять десятки квадратных километров.

Детекторы, расположенные непосредственно на земле, регистрируют не только сами частицы ливня, но и фотоны черенковского излучения этих частиц.

Эти фотоны несут информацию об энергии породивших их частиц, а также о высотах, с которых они пришли.

Эффект Вавилова-Черенкова (черенковское излучение) был открыт в 1934 году Павлом Черенковым в лаборатории Сергея Вавилова в ФИАН (Физический институт Академии наук) при изучении люминесценции жидкостей под воздействием гамма-излучения.

Суть эффекта заключается в том, что заряженная частица, которая движется в среде с постоянной скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде, излучает фотоны (из-за этого, например, вода, охлаждающая ядерный реактор, светится синим светом).

За это открытие Черенков, а также Игорь Тамм и Илья Франк, выполнившие теоретическое обоснование опытов, получили в 1958 году Нобелевскую премию по физике.

В 1996-2009 годах в Германии работала установка KASCADE, сходная по характеристикам с установкам АНИ, строительство которой на станции так и не было завершено из-за распада СССР.

Данные, полученные на KASCADE, показали, что существовавшие на тот момент системы детекторов имеют значительные ограничения: они позволяют оценить энергию космического излучения, породившего ливень, но не его состав.

В 2011 году на высокогорной научной станции заработал эксперимент «Горизонт-Т», цель которого — изучить состав сверхвысокоэнергетического космического излучения.

Проект позволит исследовать ливни, порожденные частицами с энергиями порядка 10¹⁷ - 10¹⁸ электронвольт.

Изучение частиц таких высоких энергий, возможно, прольет свет на многие вопросы физики.

Примечательно, что до настоящего момента источники столь высокоэнергетических частиц в космосе однозначно не идентифицированы.

Установка состоит из семи точек, в которых находятся 26 сцинтилляционных детекторов частиц. Расстояние между установками составляет 900 метров.

Помимо детекторов в состав «Горизонта» входит оптическая система для регистрации черенковского излучения, состоящая из трех зеркал.

Сейчас функционирует первая очередь установки — оптическая часть и два сцинтилляционных детектора.

Оптика и детекторы работают в паре. Это позволяет ловить сигналы, которые одновременно фиксируются и на черенковском зеркале, и на сцинтилляционном детекторе.