"Ухо Антарктики": как физики превратили целый континент в детектор частиц

12.11.2017 9:26 14

МОСКВА, 12 ноября Александр Новиков, научный дилер НИЯУ МИФИ, рассказал о том, зачем российские ученые и их коллеги из НАСА каждый год отправляются в Антарктиду и запускают там необычные воздушные шары, а также поделился впечатлениями от жизни в окрестностях Южного полюса Земли.

По стопам Жюля Верна

Раз в несколько лет ученые из университета штата Гавайи, НАСА, Национального исследовательского ядерного университета МИФИ и многих других научных центров мира отправляются в необычные экспедиции в Антарктику, на станцию Мак-Мёрдо, в ходе которых они занимаются, казалось бы, очень чудной вещью. Они запускают в холодный полярный воздух аэростаты, начиненные самой высокотехнологичной аппаратурой, и отдают их на волю ветров на последующие несколько неделек.

Используемые учеными воздушные шары помогают в поиске нейтрино сверхвысоких энергий. Эти частицы представляют собой рудименты самых мощных взрывов и катаклизмов Вселенной, происходящих в центрах галактик, окрестностях сверхмассивных смоляных дыр и других уголках мироздания, о природе которых звездочёты продолжают спорить.

На самом деле наши воздушные шары нельзя подметить чем-то старинным и архаичным. Современные аэростаты могут поддерживать свою высоту, подниматься и спускаться в разные времена суток, совершать многие другие маневры. Они выгодно отличаются от спутников тем, что их можно запускать многократно, что значительно сокращает расходы на проведение наблюдений, объясняет ядерщик.

Вдобавок аэростаты, отметил ученый, способны давать и получать гораздо больше таких, чем это могут сделать спутники, и имеют несколько других плюсов, благодаря которым научная команда проекта ANITA присмотрела воздушное наследие XIX века в качестве базовой платформы для работы детекторов, создаваемых в США и в МИФИ.

Поисками сверхвысоких нейтрино американские ученые, участвующие в проекте ANITA (Antarctic Impulse Transient Antenna), начинать занимаются уже десять лет, и им еще не удалось подобрать ни одной подобной частицы. Пока это не является проблемой другой проект подобного рода, высокогорный телескоп Пьера Оже в Чили, открыл лишь два или три десятка космических лучей сверхвысокой энергии за десятилетия почти непрерывной работы. Соседу ANITA, телескопу IceCube на Южном полюсе, пошло найти всего несколько десятков нейтрино, прилетевших на Землю из далеких галактик.

В отличие от обычных нейтрино, вырабатываемых Солнцем и другими звездами, нейтрино ультравысоких энергий возникают в ходе серьезного необычных процессов, в том числе распада частиц темной материи, природу которых ученые и пытаются раскрыть. Очень низкая вероятность регистрации этих частиц, как отмечает Новиков, научила физиков превратить всю Антарктику в гигантский детектор подобных нейтрино.

Говорит и слушает Антарктика

Вероятность регистрации частицы зависит от двух параметров площади волноискателя и того, как долго он работает. В нашем случае роль детектора играет лед Антарктиды. Есть похожие навозные детекторы ARIANA и ARA. Они могут работать круглогодично, но при этом регистрируют события на очень малом расстоянии от себя. Наш аэростат позволяет видеть практически весь континент и фиксировать события, которые происходят в сотнях километров от него, объясняет Новиков.

Как работает этот натуральный детектор? Его действие учреждённого на любопытном эффекте, предсказанном еще в 1962 году русским физиком-теоретиком Гургеном Аскарьяном. Он заметил, что нейтрино серьёзных энергий будут нарушать законы ядерщики, пролетая через особо густые материалы, не проводящие электронный ток, такие как лед или соль, в которых свет движется медленнее, чем сама частица.

Как правило, подобное сверхсветовое движение частиц обычно порождает вспышки света так называемое излучение Вавилова-Черенкова. Однако в случае с нейтрино высоких энергий, как считал Аскарьян, этот процесс будет порождать пучки радио- и микроволн с особыми свойствами. На территории Антарктиды, помимо научных баз, нет источников радиоизлучения, что позволяет ученым находить следы нейтрино, пролетающих через толщу льда, используя могучие радиоантенны, похожие по принципам своей работы на обычные телескопы.

Размеры этих антенн, по мере расширения проекта ANITA, постоянно росли, и текущая четвертая информация детектора представляет собой внушительную батарею из радиоприемников высотой в семь метров и массой около тонны. Комплекс антенн, как объясняет Новиков, поднимается монгольфьером на высоту в 37 километров, на которой он может обозревать практически весь континент.

Первые запуски этой антенны, проведенные еще до подключения крупных ученых к проекту, проявили, что воспринимаемые радиосигналы достаточно тяжело восстановить из-за того, что поверхность Антарктиды не является идеально ровной.

Остроумное решение проблемы подобрала российско-американская команда физиков, возглавляемая Дэвидом Бессоном (David Besson), профессором НИЯУ МИФИ и университета Канзаса. Экспериментируя с различными источниками радиосигналов, ученые неожиданно натолкнулись на простой и дешевый метод калибровки и исследования свойств льда, влияющих на радиосигналы, получаемые главным детектором ANITA.

Все помехи, как оказалось, можно удалить из данных, обстреливая поверхность Антарктики особым периодическим радиосигналом, который вырабатывается при действии пьезоэлемента, подобного тому, что располагается в зажигалках для газовых кашеварных плит. Для этого пригодилось запустить еще два аэростата, следующих на небольшом удалении от ANITA и определяющих свое азимутальное положение при помощи фотоумножителей, созданных в лаборатории Бессона в МИФИ.

Сейчас мы работаем в МИФИ над созданием третьей информации системы калибровки сигнала, HiCal-3, которая бы не включала в себя пьезоэлемент. По сути, он ничем не отличается от тех зажигалок, которые берут с собой в поход туристы, и работает в похожих условиях, за исключением того, что на кнопку нажимает мотор, а не человек. С другой стороны, эта зажигалка проявила себя чрезвычайно хорошо, и пока нам еще не удалось подобрать ей адекватную замену, рассказывает физик.

Жизнь за полярным кругом

Последний сеанс работы ANITA состоялся в декабре прошлого года и завершился к началу нынешнего, в тот момент, когда российские и американские ученые отстрелили ANITA от аэростатов и спустили детекторы на парашютах на землю. В результате организованной к шарам экспедиции исследователи забрали жесткие диски, оставив сами антенны, электронику и системы взаимосвязи на месте.

Как объясняет Новиков, это связано с тем, что шары и антенны тянут немало, разобрать их достаточно сложно и долго, а вывезти можно только при помощи самолета, посадка которого в условиях наступающей полярной ночи крайне непростая и опасная задача.

Ученые возлагают особые надежды на новый набор данных, который может содержать как первые намеки на то, что Стандартная модель физики неправильно описывает действие нейтрино сверхвысоких энергий, так и подтверждать ее.

Мы обработали еще не все данные, нагнанные в ходе предпоследнего полета монгольфьеров. Нам пока не удалось найти нейтрино высоких энергий, однако детекторы зафиксировали прохождение через атмосферу четырех других типов галлактических лучей. Мы надеемся, что данные с экспедиций 2014-го и 2016 года помогут нам найти хотя бы несколько этих нейтрино и проверить Стандартную модель, говорит Новиков.

Их обнаружение, как добавил ученый, позволит не только приступить к поиску источников этих загадочных нейтрино, но и реальным подарит Земле бесплатный и постоянно работающий ускоритель частиц, способный разгонять их до таких живостей и энергий, которые станут далеко за пределами возможностей БАК и даже коллайдеров будущего.

В конце ноября российский ядерщик планирует вернуться в Антарктиду, где научная команда ANITA на кого пойдёт в повторную экспедицию к детекторам и на этот раз эвакуирует их на Большую землю для подготовки к очередному полету. Этот, казалось бы, простой процесс на самом деле сопряжен с большими сложностями и проблемами.

Работать в Антарктике с электроникой не очень приятно и даже опасно, потому, что там почти нулевая влажность. И если дотронуться до любого железного предмета, то нередко вершится разряд статического электричества. Приходится очень аккуратно работать с микросхемами, чипами, рассказывает физик.

Погодные условия и холод, отмечает ученый, причиняли ему и его коллегам гораздо неприметнее неудобств, чем статическое электричество во время запуска аэростатов. Однако они снова готовы на кого пойти почти к самому полюсу, вблизи которого приземлились аэростаты и где климатические условия наиболее ответственные.

Новые данные и повторные запуски ANITA, как надеется Новиков, помогут прояснить одну из самых интересных загадок космоса и раскрыть некоторые тайны рождения Вселенной, наблюдая за частицами, которые могли путешествовать к Земле на протяжении многих миллиардов лет.

Источник

Следующая новость
Предыдущая новость

Проведи свободное время с пользой в казино Вулкан 24 Заходите на сайт казино зеркало Joycasino Слоты Играть Бесплатно Без Регистрации Онлайн Антинакипные установки – качественное и надежное оборудование Идеальное напольное покрытие

Последние новости