На площадке гамма-обсерватории TAIGA — одной из крупнейших в мире установок для исследования частиц космического излучения, расположенной на территории Тункинского астрофизического центра коллективного пользования Иркутского государственного университета (ИГУ), установят водные черенковские детекторы. Они будут регистрировать вторичные частицы широких атмосферных ливней (ШАЛ), возникающие при взаимодействии космических лучей и гамма-квантов с атмосферой Земли. Такие измерения помогут точнее определять свойства первичных частиц.
При прохождении быстрых заряженных частиц ШАЛ через воду возникает слабая вспышка черенковского света, которую регистрируют чувствительные оптические датчики. Чтобы свет доходил до датчиков с минимальными потерями, вода в детекторах должна быть очень чистой и прозрачной.
«Качество воды напрямую влияет на регистрацию сигнала. Прежде всего, вода должна быть прозрачной: чем меньше черенковских фотонов поглощается или рассеивается на пути к фотодетекторам, тем надежнее мы регистрируем событие. Кроме того, мы разрабатываем детекторы со сроком службы более десяти лет. За это время вода должна сохранять свои оптические свойства, поэтому важно предотвращать рост микроорганизмов и образование отложений на внутренних поверхностях детектора», — рассказал один из авторов разработки, научный сотрудник НИИ прикладной физики ИГУ Роман Монхоев.
В 2025 году в ИГУ ввели в эксплуатацию систему подготовки ультрачистой воды AWT RO-500L производительностью 0,5 м³/ч. Пока для очистки используется вода из городского водопровода. В дальнейшем рассматриваются и другие источники водоснабжения, в том числе скважины и реки.
Основой действующей системы очистки служит обратный осмос. Его принцип можно объяснить так: насос под давлением подает воду на специальную мембрану, которая пропускает молекулы воды, но задерживает большую часть растворенных солей и других примесей. Очищенную воду собирают, а поток с повышенным содержанием примесей отводят отдельно. Установка позволяет получать около 500 литров очищенной воды в час.
«Очищенную воду мы планируем доставлять в обсерваторию из Иркутска на грузовом автомобиле. Для перевозки в этом году закупили две специальные пластиковые емкости объемом по 5 м³ каждая. Сейчас система работает круглосуточно, чтобы собрать необходимое количество воды, чтобы успеть заполнить бассейн и установить детектор до наступления заморозков», — пояснил руководитель проекта, научный сотрудник НИИ прикладной физики ИГУ Владимир Полещук.
На данный момент прототип водного черенкового детектора успешно проработал год. Сейчас строятся три полноразмерных детектора с объемом воды около 50 м³ каждый. Ученые рассчитывают, что один из них начнет собирать данные уже в этом году.
Как отмечают исследователи, детектор регистрирует частицы ШАЛ. Но конечная цель — узнать больше о первичной частице, прилетевшей из космоса и породившей этот ливень: оценить ее энергию, направление прихода и тип. Первичную частицу физики обычно не наблюдают напрямую — восстанавливают ее свойства по тому, какой ливень она вызвала.
«Водный черенковский детектор поможет точнее определять, какая частица вызвала атмосферный ливень: гамма-квант, протон или более тяжелое ядро. Для этого мы регистрируем и затем изучаем полученные сигналы. Когда заряженная частица проходит через воду с достаточно высокой скоростью, она создает черенковское свечение. Фотодетекторы регистрируют этот свет, а по полученным сигналам астрофизики оценивают число частиц, прошедших через детектор. Детектор размещается под слоем грунта: грунт задерживает большую часть электронов и фотонов атмосферного ливня, тогда как мюоны способны пройти через него и достичь воды. Число мюонов помогает нам определить тип первичной частицы, вызвавшей ливень. Например, ливни от гамма-квантов обычно содержат меньше мюонов, чем ливни от протонов и ядер», — отметил Роман Монхоев.
Задача гамма-обсерватории TAIGA — регистрация частиц сверхвысоких энергий, приходящих из Вселенной. Ученые надеются, что полученные результаты позволят решить ряд фундаментальных задач астрофизики элементарных частиц и гамма-астрономии, а также могут стать началом Новой физики, находящейся за пределами Стандартной модели. Кроме того, данные гамма-обсерватории дают возможность отработки новых технологий и решения задач наносекундной электроники, многопроцессорных систем сбора данных и т. д.
