В Китае стартовала научная программа новой установки для регистрации космических частиц LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory — крупная высокогорная обсерватория атмосферных ливней). К моменту полноценного введения в строй, что по планам должно произойти в 2021 году, LHAASO станет самым чувствительным детектором космических лучей — прилетающих из далекого космоса на Землю потоков массивных частиц высокой энергии. Об этом сообщается на официальном сайте установки.
Космические лучи — это массивные частицы, такие как протоны и ядра гелия, ускоренные до очень высоких энергий в астрофизических условиях. Среди них встречаются обладающие энергией, на много порядков превышающей доступную на сегодняшних коллайдерах. При столкновении с атомами и молекулами в атмосфере Земли такие частицы порождают каскад ядерных реакций, в результате которого на заметную площадь поверхности выпадают их продукты — широкий атмосферный ливень.
Многие вопросы о физике космических лучей по-прежнему остаются без ответа. В частности, до сих пор точно не известны их источники и особенности ускорения. Считается, что за это ответственен механизм Ферми, который теоретически позволяет разгонять частицы до высоких энергий при многократном взаимодействии с ударными волнами. Подобные условия могут возникать в расширяющихся оболочках сверхновых или в джетах активных галактик, но наблюдательных данных пока недостаточно для однозначных выводов.
Существует несколько методов изучения космических лучей, так или иначе основанных на слежении за «осколками» ядерных реакций. Одним из способов является создание черенковских телескопов. Это похожие на астрономические приборы инструменты, они также улавливают электромагнитное излучение, но не от звезд, а от заряженных частиц, движущихся в атмосфере со скоростью, превышающей скорость света в данной среде. В таком случае порождается черенковское излучение, которое и регистрируют данные телескопы. Они отличаются от астрономических инструментов плохим угловым, но чрезвычайно хорошим временным разрешением, так как вспышки от частиц длятся единицы наносекунд. Также для уверенной регистрации необходимо постройка массивов таких приборов, из-за широкого конуса раствора продуктов ядерных реакций. Однако такие приборы могут помочь и классической астрономии — недавно с их помощью удалось напрямую измерить размеры двух звезд.
Другим похожим методом регистрации является изучение черенковского излучения в воде. В качестве мишени в таком случае могут использоваться как естественные водоемы (Baikal-GVD), так и специальные наполненные баки (HAWC). В таком случае регистрируется свечение, возникающее при попадании частиц в жидкость. Основная часть нового детектора LHAASO относится к последнему типу, однако в обсерваторию входят и другие инструменты, в том числе черенковские телескопы. Установка расположена на высоте в 4410 метров над уровнем моря в китайской провинции Сычуань. На данный момент завершен первый этап постройки, в рамках которого начат сбор данных с 900 приемников, расположенных на площади 22500 квадратных метров, в которых суммарно содержится 10 тысяч тонн сверхчистой воды.
С учетом вращения Земли установка сможет принимать сигнал с 60 процентов неба каждый день. Ее эффективность не зависит от времени суток, погоды, наличия Луны и других факторов, что потенциально обеспечивает непрерывный сбор статистики. В проекте участвует несколько научных учреждений из разных стран, в том числе Институт ядерных исследований РАН.
В полномасштабной LHAASO будет в три раза больше водяных цистерн на площади в 78 тысяч квадратных метров, а также 12 широкопольных черенковских телескопов, 5195 сцинтилляционных и 1171 мюонных детекторов на площади в 1,3 квадратных километра. Такая обсерватория будет регистрировать около 5 триллионов случаев соударения частиц космических лучей с атмосферой в год. Ожидаемая чувствительность для гамма-излучения высоких энергий (более 50 гигаэлектронвольт) составит около сотой краба, то есть в 100 раз меньше яркости Крабовидной туманности — стандартного объекта для изучения в данном диапазоне. Также станет возможным построение спектра источников вплоть до энергий в 50 тераэлектровольт, что является рекордными значениями.
Астрофизики лишь недавно начали получать доказательства неоднородности в направлении прилета высокоэнергетических космических лучей, что должно помочь раскрыть природу их источников. Также для особо вида частиц — нейтрино — в одном удалось точно установить источник.
Тимур Кешелава