ШАЛьные ЛИВНИ ЯКУТИИ
Проект 2007 — 2009 гг. «Модернизация якутской установки широких атмосферных ливней (ШАЛ)» выполняется силами Института космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН (г. Якутск). Установка ШАЛ предназначена для экспериментального исследования космических лучей — потоков ядер химических элементов, поступающих в Солнечную систему извне. О том, что уникальный исследовательский комплекс умеет сегодня и какие возможности приобретет завтра, рассказывает директор ИКФИА СО РАН д.ф.-м.н. Е. Г. Бережко.
 |
|
Одна из характеристик космических лучей — зависимость их потока от энергии. Эта величина варьируется в очень широких пределах, поэтому в разных энергетических диапазонах требуются разные экспериментальные методы. Наиболее надежны прямые измерения, но они возможны только при относительно невысоких энергиях (ниже 1014 электронвольт), где поток космических лучей достаточно велик — тогда можно детектировать частицы за пределами атмосферы. Однако при высоких энергиях (свыше 1014 электронвольт) поток становится настолько малым, что единственный способ измерения космических лучей — с помощью системы синхронизированно работающих детекторов, размещенных на большой площади. Эти детекторы регистрируют широкий атмосферный ливень (ШАЛ), состоящий из вторичных частиц, порожденных первичными космическими частицами при попадании в атмосферу. К разряду таких исследовательских инструментов относится якутская установка ШАЛ.
Какие вопросы решаются такими установками? С их помощью можно измерять угловое распределение космических лучей, чтобы ответить на вопрос, существует ли анизотропия углового распределения, и, может быть, эта анизотропия поможет отыскать на небе положение источников излучения. Необходимо измерять также энергетический спектр и химический состав космических лучей. Важен ответ на вопрос, до каких предельных энергий простирается спектр космических лучей? Например, если источники расположены на больших космологических расстояниях, то до Земли дойдут из-за потерь при взаимодействии с реликтовым излучением только частицы с энергией не более 6×1019 электронвольт.
Якутская установка ШАЛ находится в долине реки Лены в пятидесяти километрах от Якутска. Ее детекторы контролируют площадь около 10 квадратных километров. На ней непосредственно измеряется электронно-фотонная компонента, наиболее часто измеряемая на установках подобного типа, есть также детекторы мюонов и черенковского излучения.
Детектирование этих компонент ШАЛ позволяет оценить следующие характеристики первичной частицы космических лучей, вызвавшей ШАЛ: энергию частицы (спектр КЛ) и направление прихода первичной частицы. Соответственно, становится возможно изучать анизотропию космических лучей, а также измерять массовый состав КЛ. Особенность якутской установки в том, что на ней детектируются все три этих компоненты, в отличие от других установок, где измеряется, как правило, одна из компонент.
Среди некоторых результатов, полученных за последние годы — измерение углового распределения в галактических координатах. Установлено, что избыток потока космических лучей предельно высоких энергий совпадает с плоскостью Сверхгалактики. Этот результат в последнее время подтвержден и на гигантской установке им. П. Оже площадью 3000 кв. км, расположенной в Аргентине. Спектр, который получен на якутской установке, обрывается при энергии около 1020 электронвольт. И это говорит о том, что частицы с самой большой энергией приходят с космологических расстояний, что также подтверждено измерениями на аргентинской установке в 2007 году.
Какие задачи ставит модернизация? Увеличение точности синхронизации детекторов действующей Якутской установки ШАЛ, которая сейчас составляет 100 наносекунд, до 10-ти позволит значительно повысить точность определения направления прихода частиц. Замена низкоскоростной кабельной системы передачи данных на беспроводную систему с высокой пропускной способностью и оснащение станции наблюдения современной электроникой даст повышение надежности и эксплуатационных характеристик установки. Дооснащение установки дифференциальными и черенковскими детекторами позволит более детально изучать продольное развитие ШАЛ и более надежно определять состав космических лучей.
Интересна ситуация с химическим составом космических лучей. Определяется среднее значение логарифма атомного числа как функции энергии, при малых энергиях — прямые спутниковые измерения. При низких энергиях все измерения более-менее хорошо согласуются с теорией, что говорит о том, что эти космические лучи рождаются в сверхновых звездах. При высоких энергиях ситуации могут быть различными, в зависимости от того, какой спектр рождается во внегалактических источниках. На нашей установке можно проводить измерения в широком диапазоне энергии: от 10 в пятнадцатой степени до 10 в девятнадцатой. Конечно, при высоких энергиях надежность данных пока ещё невелика. Наша цель — повысить их.
Несколько слов о выполнении плана действий в рамках проекта модернизации установки в 2007 году. Выполнены монтаж и наладка системы синхронизации детекторов ШАЛ, монтаж и натурные испытания беспроводной системы передачи информации, разработка электроники станции наблюдения. Создана камера для второго черенковского дифференциального детектора. Завершен монтаж антенн новой системы синхронизации, обеспечивающей точность не хуже 10 наносекунд на всех сорока девяти триггерных станциях установки. Смонтированы сегменты беспроводной системы передачи информации на 9 станциях.
Модернизированная установка приведет к повышению точности определения направлений прихода частиц космических лучей примерно в десять раз по сравнению с существующей.
В планах модернизации установки ШАЛ на 2008 год: монтаж и наладка на станциях наблюдения беспроводной системы передачи информации; разработка аппаратуры и программного обеспечения центра сбора, обработки и накопления информации от всех детекторов установки; монтаж и наладка второго черенковского дифференциального детектора.
На 2009 год запланированы: сборка и отладка центра сбора, обработки и накопления информации; пробная регистрация ШАЛ на модернизированной установке; строительство, монтаж и наладка третьего черенковского дифференциального детектора.
Фото В. Новикова
стр. 10
| 
