Новая установка поможет исследовать происхождение частиц сверхвысоких энергий
Учёные Казахского национального университета имени аль-Фараби разрабатывают новую установку для исследования космических лучей в высокогорных условиях Тянь-Шаня. С её помощью специалисты намерены изучить происхождение частиц, обладающих чрезвычайно высокой энергией, и разобраться в физических процессах, которые пока не получили однозначного научного объяснения.
Как сообщает КазНУ имени аль-Фараби, главная задача проекта – исследование особенностей энергетического спектра космического излучения, в частности явления, известного физикам как «колено».
Космические лучи представляют собой потоки высокоэнергетических частиц, поступающих на Землю из космического пространства. Сталкиваясь с атомами земной атмосферы, они вызывают цепные реакции, в результате которых образуется множество вторичных частиц.
Этот процесс учёные называют широким атмосферным ливнем. Специальные наземные детекторы регистрируют возникающие потоки, позволяя исследовать направление их движения, распределение и состав.
Загадка космического «колена»
Одной из нерешённых проблем современной астрофизики остаётся резкое изменение характера энергетического спектра космических лучей.
При энергии около трёх петаэлектронвольт (3 ПэВ) количество регистрируемых частиц начинает уменьшаться с ростом энергии быстрее, чем при более низких значениях. На графике это выглядит как характерный изгиб, который получил название «колено».
Учёные пока не пришли к единому мнению о причинах этого явления. Среди возможных объяснений рассматриваются особенности ускорения частиц в космических источниках, их распространения в Галактике и изменения состава первичного излучения.
Казахстанские исследователи рассчитывают получить дополнительные экспериментальные данные, которые помогут проверить существующие гипотезы.
Особое внимание будет уделено центральной части атмосферных ливней, где сосредоточены наиболее энергичные вторичные частицы. Учёные намерены измерять характеристики адронов – частиц, участвующих в сильном ядерном взаимодействии.
Как будет работать новая установка
Основой проекта станет модернизация детектора на базе ионизационных камер. Количество измерительных каналов планируется увеличить с восьми до 24, что позволит получать более подробную информацию о распределении частиц.
Каждый канал будет регистрировать электрические сигналы, возникающие при прохождении частиц через детектор. Полученные данные преобразуют в цифровой формат для дальнейшей компьютерной обработки.
Новая система будет работать совместно с уже существующими исследовательскими комплексами, включая временные детекторы «ГОРИЗОНТ-Т» и мюонные детекторы.
Совместные измерения позволят изучать одно и то же событие сразу несколькими способами: определять направление движения частиц, положение оси атмосферного ливня и особенности его структуры.
Важную роль в проекте сыграет компьютерное моделирование. С помощью специализированных программ CORSIKA и Geant4 исследователи смогут воспроизводить процессы взаимодействия космических частиц с атмосферой и измерительным оборудованием.
Результаты моделирования будут сопоставлять с экспериментальными данными, чтобы проверить точность работы детектора и уточнить параметры будущей установки.
Почему исследования проводят на Тянь-Шане
Высокогорные районы Тянь-Шаня давно используются для изучения космического излучения. На большой высоте атмосферные ливни можно регистрировать на более ранних стадиях их развития, когда часть вторичных частиц ещё не успела поглотиться в атмосфере.
Предыдущие эксперименты выявили ряд необычных явлений, включая замедленное поглощение адронной компоненты и увеличение количества мюонов в отдельных атмосферных ливнях.
Причины этих особенностей остаются предметом научных исследований. Одна из гипотез допускает существование в космическом излучении компоненты с необычными свойствами, однако её наличие пока не доказано.
Новая установка позволит получить дополнительные данные для проверки подобных предположений.
Перспективы проекта
На первом этапе исследователи намерены создать и испытать 24-канальный прототип, проверить работу электроники и провести предварительные измерения.
В перспективе он может стать основой более крупного научного комплекса для исследования космических лучей в диапазоне энергий от 1 до 1 000 петаэлектронвольт.
Проект также предусматривает участие студентов и молодых специалистов, которые смогут получить практический опыт работы с детекторами, компьютерным моделированием и обработкой экспериментальных данных.
Результаты исследований планируется публиковать в рецензируемых научных журналах и представлять на отечественных и международных конференциях.
Сообщает МИА «Ratel Media» со ссылкой на Казахский национальный университет имени аль-Фараби.
Фото: КазНУ имени аль-Фараби.
