НЕВОД для Земли: что такое космические лучи и зачем их ловят ученые

НЕВОД для Земли: что такое космические лучи и зачем их ловят ученые

Уникальная научная установка НЕВОД, созданная учеными НИЯУ МИФИ, — это один из самых интересных экспериментальных комплексов для исследования космических лучей в России и мире. Разбираемся, как он работает

Поймать мюон: для чего ученые охотятся за космическими частицами?

Жизнь и ее развитие на Земле во многом подчинены законам и процессам, происходящим во Вселенной. Действие гравитации, океанические и морские приливы и отливы и другие привычные для нас явления существуют в результате постоянного взаимодействия нашей планеты с космическими соседями — Солнцем и Луной.

Что такое космические лучи

Космические лучи — одно из интереснейших и не до конца изученных явлений, которое оказывает значительное влияние на жизнедеятельность нашей планеты. Лучи рождаются в глубинах космоса, но их происхождение до сих пор остается загадкой.

Лучи представляют собой протоны и ядра различных атомов, которые движутся в космическом пространстве с высокими скоростями. Некоторые из этих частиц, достигающих Земли, обладают колоссальной энергией, в миллионы раз превышающей энергию частиц в Большом адронном коллайдере. Изучение потока и взаимодействия космических лучей с нашей планетой, а также поиск ответов на вопросы о их происхождении, открывают дорогу к Новой физике. Именно этим занимаются ученые, аспиранты и студенты НИЯУ МИФИ в Экспериментальном комплексе НЕВОД.

Как устроен НЕВОД

Экспериментальный комплекс НЕВОД (или НЕйтринный ВОдный Детектор) является уникальной по масштабам и возможностям установкой для регистрации и исследования космических лучей. Название НЕВОД перекликается с «рыбацкой сетью» для ловли космических частиц путем их регистрации в воде.

Комплекс включает в себя несколько физических детекторов и установок. Основа НЕВОДа — черенковский водный детектор, который работает с излучением, названным в честь открывшего его советского ученого Павла Алексеевича Черенкова. Черенковское излучение представляет собой свечение, вызываемое движением заряженной частицы в прозрачной среде, когда ее скорость превышает скорость света в этой же среде.

Ничто не может двигаться быстрее света в вакууме, но в веществе скорость света может быть значительно ниже. Если частица проходит через прозрачную среду, например воду, ее скорость может быть выше, чем скорость света в воде. По аналогии можно представить истребитель, скорость которого больше, чем скорость звука: в этой ситуации сначала пролетит истребитель, а следом за ним появится звуковая волна. Тот же эффект происходит и в воде, где черенковское излучение находится в видимой части спектра, его можно увидеть своими глазами, например, при работе ядерного реактора.

Черенковское излучение широко используется в детекторах элементарных частиц. Так, основой комплекса НЕВОД является огромный бассейн объемом в 2 тыс. куб. м, в котором и происходит «захват» света от космических частиц. Для сравнения, если одновременно включить два крана в ванной, потребуется несколько месяцев, чтобы наполнить бассейн такого размера.

Для стабильной работы детектора и предотвращения коррозии металлов вода в бассейне должна быть очень чистой, поэтому в детекторе используется дистиллированная вода, а чтобы избежать попадания внешнего света, бассейн накрывается стальными крышками и специальным дерматиновым покрытием.

Внутри бассейна квазисферические измерительные модули (КСМ) располагается в виде пространственной решетки. КСМ являются основным детектирующим элементом конструкции черенковского детектора. Они позволяют регистрировать черенковское излучение с помощью встроенных фотоумножителей.

Фотоумножитель — это высокочувствительный детектор света в различных диапазонах электромагнитного спектра. Каждый модуль имеет шесть фотоумножителей, которые направлены по всем осям координат, то есть смотрят в шесть разных сторон: вправо, влево, вверх, вниз, вперед и назад по отношению к центру модуля.

Модули в бассейне расположены в шахматном порядке на небольшом расстоянии друг от друга, что создает плотную пространственную решетку. Такая конструкция позволяет регистрировать частицы с любого направления с практически одинаково высокой эффективностью и измерять черенковское излучение с высокой точностью. Это уникальная особенность квазисферических модулей, создание которых было отмечено премией Ленинского комсомола. Их концепция на десятилетия опередила время, подобные измерительные модули стали проектировать в Европе только спустя 30 лет.

Поймает всех

Другая значимая особенность — расположение самого комплекса НЕВОД: он находится на поверхности Земли, что нетипично для подобных детекторов. Обычно их размещают глубоко под землей или во льдах. Благодаря такому положению НЕВОД имеет преимущество и может регистрировать самые различные частицы, как «классические» для таких установок мюоны, так и другие. Что представляют собой эти частицы?

Рождаясь, космические лучи движутся в пространстве и попадают в гелиосферу — внешнюю оболочку Солнца. Там космические лучи начинают отклоняться и взаимодействовать с межпланетным магнитным полем и его возмущениями. Когда первичные космические лучи, которые состоят из ядер атомов, достигают атмосферы Земли, они сталкиваются с ядрами атомов азота и кислорода — основных газов атмосферы. В результате такого взаимодействия космических частиц появляются вторичные частицы — пионы, которые «живут» всего 0,03 микросекунды. Пионы распадаются на еще более мелкие частицы — мюоны, которые «живут» почти в сто раз дольше и успевают достигнуть поверхности Земли. Таким образом 70% частиц, доходящих до поверхности Земли, составляют именно мюоны, получившие название от буквы «мю» греческого алфавита.

Каждую минуту детектор площадью 10 м2 регистрирует 80 тыс. таких частиц. Каждый детектор имеет монитор, который собирает полученные данные и контролирует процесс работы детектора. Мониторы располагаются в едином центре сбора информации, где аккумулируются и хранятся данные со всех систем и детекторов НЕВОДа.

Обуздать Солнце

Анализ зарегистрированных космических лучей чрезвычайно важен как для новых научных открытий, так и для практического применения в повседневной жизни. Во-первых, космические лучи — это мощный бесплатный ускоритель, который может быть использован для проведения экспериментов, аналогичных проводимым на ускорителях. Во-вторых, изучение космических лучей помогает понять деятельность Солнца и особенности солнечно-земных связей. Солнце — мощный термоядерный реактор, который определяет многие процессы на нашей планете. Активность Солнца нестабильна, там часто происходят различные вспышки, выбросы плазменных облаков.

Плазменные облака обладают очень высокой температурой и могут вылетать в разные стороны. Если облако движется в сторону Земли, это может привести к появлению сильных магнитных бурь и зон турбулентности, которые могут вывести из строя спутники, системы глобального позиционирования, нарушить авиационные маршруты.

Для распознавания таких явлений в комплексе НЕВОД была создана установка УРАГАН, предназначенная для изучения вариаций космических лучей, существующих в гелиосфере, магнитосфере, атмосфере. В режиме реального времени установка регистрирует потоки частиц со всех направлений, анализирует их распределение и различные вариации. Потоки частиц запечатлеваются в виде снимков, где интенсивность потока мюонов выделяется определенным цветом. Зеленый означает некоторое среднее значение, нормальный фон мюонов. Синий цвет — снижение интенсивности, а красно-желтый сигнализирует о возмущениях в направлении движения частиц. Такой процесс называется мюонной диагностикой и позволяет заранее обнаружить аномальные возмущения в магнитном поле Земли.

На пути к Новой физике

Таким образом, комплекс НЕВОД представляет собой уникальный исследовательский центр, не имеющий аналогов в мире. НЕВОД был разработан и создан силами студентов, аспирантов и ученых МИФИ, и является одним из самых масштабных университетских исследовательских центров. Сейчас перед работниками стоят задачи модернизации существующих и разработка новых детекторов для последующих вызовов и открытий в поисках Новой физики. Достижение поставленных целей сделает комплекс НЕВОД частью мировой сети научных центров класса мегасайенс.

Читайте также:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.