Круче коллайдера

В этом году исполнилось ровно 100 лет со времени открытия космических лучей – потоков заряженных частиц, приходящих из глубин далекого космоса. Сейчас, по прошествии этих 100 лет, все согласны с тем, что физика элементарных частиц превратилась в одну из немногих областей науки, где ученым удалось глубже всего проникнуть в загадки материи и объяснить ее свойства. В свое время, до изобретения ускорителей, именно благодаря высокоэнергичным частицам, приходящим из глубин Вселенной, удалось сделать ряд важных открытий. 

Так, в 1932 году американский физик Андерсон, используя камеру Вильсона (помещенную по методу Скобельцына в магнитное поле), выявил в космических лучах античастицу электрона – позитрон, предсказанный Дираком в 1928 году. А в 1947 году физики Латтес из Бразилии, Оккиалини из Италии и Пауэлл из Англии открыли предсказанную ранее японским физиком Юкавой новую частицу – пи-мезон, проанализировав после проявки треки заряженных частиц в ядерных фотоэмульсиях, экспонировавшихся на высоте 2800 м на вершине Пик-дю-Миди во французских Альпах, а также на вулкане Чакалтай в болливийских Андах на высоте 5500 м.

Несмотря на это осталось еще много неразгаданых тайн. К примеру, такая, пожалуй, самая захватывающая: откуда прилетают частицы с энергией более 10^20 эВ, то есть почти миллиард триллионов электронвольт, в десятки тысяч раз больше, чем в мощнейшем Большом адронном коллайдере LHC? Что за силы и какие поля разгоняют частицы до столь невообразимых энергий?

Так что с пуском коллайдера исследования космических частиц в высокогорье ничуть не потеряли свою актуальность.

Одна из установок по исследованию космических лучей, представляющая собой рентгеноэмульсионные камеры больших площадей, уже на протяжении многих десятилетий действует на Памире в урочище Ак-Архар на высоте 4400 метров, где атмосфера сильно разрежена, что облегчает изучение исходных свойств частиц и ускоряет темп набора экспериментальных данных. За это время в эксперименте «Памир» (который после создания в 1986 году международной коллаборации был переименован в «Памир-Чакалтая») зарегистрировано и обработано более тысячи событий с суммарной энергией более 100 ТэВ (10^14 эВ), состоящих из узких пучков высокоэнергичных гамма-квантов, электронов и адронов, порожденных в атмосфере Земли первичными частицами космических лучей с энергией более 10^15 эВ; а несколько самых энергичных событий из них были порождены, по всей видимости, частицами с энергией 10^17-10^18 эВ, превосходящей ту, что стала доступна сейчас на LHC. 

Ученым давно стало понятно, что для полномасштабного изучения космических лучей с применением современных технологий станция на Ак-Архаре, расположенная в довольно узком ущелье, не вполне подходит. Здесь нельзя развернуть на большой площади систему разнесенных датчиков,      а подступающие горы по краям ущелья существенно ограничивают сектор неба, откуда могут прилететь космические частицы. 

17 марта 2010 года на простоявший много десятилетий ангар с находящейся внутри установкой для исследования космических лучей обрушилась снежная лавина и начисто его снесла. Хотя экспериментальная установка последнего поколения с воздушным зазором в 2,5 м и уцелела, после этого стало ясно: надо искать новое место безопасное и просторное.

По словам Александра Борисова, директора международного научно-исследовательского центра «Памир-Чакалтая» (МНИЦ-ПЧ), сейчас на Памире приступили к строительству нового полигона, чтобы на нем развернуть принципиально новую установку, которая будет значительно превосходить по своим возможностям рентгеноэмульсионные камеры, которые там использовались в течение многих десятилетий. Конечно, с одной стороны, рентгеноэмульсионные камеры позволяли получать информацию об отдельных частицах широких атмосферных ливней и регистрировать их с очень высоким пространственным разрешением (в десятки микронов), тем самым получая информацию о характеристиках ядерных взаимодействий, при тех энергиях, ради которых создан Большой адронный коллайдер.

Но этой информации, к сожалению, было недостаточно для получения более подробных данных о взаимодействиях частиц, которые приходят из далекого космоса, и поэтому возникла необходимость модернизации прежней установки, и сейчас речь идет о разворачивании на новом полигоне установки с использованием электронных детекторов общей площадью около 1 кв. км. 

Новый ангар начали строить на новой площадке, совершенно лавинобезопасной, поскольку она представляет собой широкую долину, окруженную со всех сторон невысокими холмами, и ее площадь составляет около 10 кв. км. 

На сегодняшний день, не существует другой аппаратуры для регистрации именно отдельных наиболее энергетических частиц широких атмосферных ливней. Этими установками надо покрывать большие площади – порядка сотен квадратных метров. Аппаратуры с высоким пространственным разрешением, которой можно было бы покрыть порядка сотен квадратных метров, до сих пор не существует.

Многие из экспериментов, которые сейчас проводятся на коллайдере, планировались на основании данных, полученных ранее из исследований в космических лучах. Именно в космических лучах было обнаружено несколько новых явлений, которые свидетельствуют о появлении, так сказать, «новой» физики. Существование новых явлений и частиц за пределами Стандартной модели – комплексе теоретических представлений, составляющих основу современных представлений о частицах и их взаимодействиях, – является серьезным вызовом для физики высоких энергий. 

Как отмечает Александр Борисов, сейчас на полигоне сняли очередную экспозицию, которая может пролить свет и позволит проследить и такие объекты, как кентавры, открытые японцами в 1970–1980 годах. Мы надеемся, что некоторые явления удается теперь наблюдать и на ускорителе, хотя некоторые явления не удается воспроизвести. 

На данный момент доступная энергия на Большом адронном коллайдере 3,5 на 3,5 ТэВ, что в лабораторной системе эквивалентно энергии 10 в 16-й степени эВ. Через два года после модернизации Большого адронного коллайдера энергия составит 10 в 17-й степени э.в., а у нас отдельные частицы, которые мы зарегистрировали в прошлые годы с помощью рентгеноэмульсионных камер, – это событие! – 10 в 18-й степени э.в., то есть на один порядок выше того, что может быть реализуемо в принципе на Большом адронном коллайдере. «Кроме того, наши рентгеновские пленки, экспонированные в составе рентгеноэмульсионных камер не требуют применения специальных методов для восстановления продуктов взаимодействия. Мы видим, по сути, всю картинку взаимодействия целиком, без всяких искажений, по сути, – ее мгновенное фото. В этом отношении методика рентгеноэмульсионных камер совершенно уникальна», – отмечает директор полигона.

«Конечно, мы рассчитываем на полноценное участие казахстанских ученых в деятельности МНИЦ-ПЧ и в исследованиях на Памире. Очевидным фактором, который способствует этому, является тесное сотрудничество казахских и российских физиков на ТШВНС, являющейся филиалом ФИАН, который руководит работами и на ТШВНС, и теми экспериментами, которые ведутся на Памире», – говорит Борисов. 

* Николай Домбровский принимал непосредственное участие в вышеописанных исследованиях на Памирском полигоне.

Возвращайтесь к нам через 4 недели, к публикации готовится материал «Как сеть клиник «Diaverum Казахстан» за восемь лет выросла в шесть раз »