В погоне за частицами высоких энергий

Каких только характеристик в самых превосходных степенях ни удостоился так называемый Большой адронный коллайдер – ускоритель заряженных частиц, построенный недавно в Швейцарии в окрестностях Женевы! Это и самый дорогостоящий в мире инструмент для физических экспериментов, и самое крупное в мире исследовательское сооружение, и самое впечатляющее достижение инженерной мысли. Нисколько не преуменьшая значение этого, безусловно, выдающегося проекта и отнюдь не посягая на его титул самого дорогостоящего в мире, я должен, однако, внести поправку, касающуюся размеров: право именоваться самым крупным в мире научно-исследовательским сооружением принадлежит всё же не Большому адронному коллайдеру, а Обсерватории имени Пьера Оже (Pierre Auger), расположенной на плато Пампа-Амарилья на юго-западе Аргентины. Вернее, там расположена только южная часть этой Обсерватории, однако уже и она с полным на то основанием может считаться крупнейшей в мире научно-исследовательской установкой, поскольку занимает территорию около 3-тысяч квадратных километров. Идею создания этой весьма необычной обсерватории выдвинули в 1992-м году американский физик, нобелевский лауреат Джеймс Кронин (James Cronin) и его британский коллега Алан Уотсон (Alan Watson). Строительство началось 10 лет назад, и вот, наконец, в пятницу 14-го ноября в Маларгуэ в провинции Мендоса состоялась торжественная церемония по поводу успешного завершения первого этапа проекта. Одновременно эта церемония ознаменовала и начало второго этапа, который предусматривает возведение северной части Обсерватории в США, в штате Колорадо.

Напомню: Обсерватория имени Пьера Оже имеет мало общего с тем, что у большинства людей обычно ассоциируется с понятием "астрономическая обсерватория". Она представляет собой, прежде всего, множество разбросанных по просторам аргентинских пампасов так называемых черенковских детекторов. Участвующий в реализации проекта немецкий физик Маркус Рот (Markus Roth) из Технологического института в Карлсруэ, с гордостью похлопывая рукой по жёлто-оранжевой цистерне довольно внушительных размеров, поясняет:

Вот это один из наших замечательных черенковских водяных детекторов – резервуар цилиндрической формы диаметром 6 метров и высотой 1,2 метра. Резервуар заполнен высокочистой водой – здесь её 12 тонн. И таких цистерн мы установили 1600 штук – на расстоянии в 1,5 километра друг от друга.

Конечно, эти черенковские детекторы – не просто цистерны с водой. Каждый из резервуаров оборудован солнечной батареей в качестве источника питания, а кроме того – весьма сложной электроникой, включающей 3 фотоумножителя, и антенной высотой в 3 с лишним метра с соответствующим радиопередатчиком. Столь необычное устройство Обсерватории имени Пьера Оже объясняется её необычным предназначением: она должна регистрировать не видимый свет космических объектов, не рентгеновское или инфракрасное излучение и не радиосигналы, а космические частицы сверхвысоких энергий. Вообще космическое излучение содержит разные частицы – прежде всего, протоны, то есть ядра атома водорода, но и ядра атомов некоторых более тяжёлых элементов, а также электроны и позитроны. Единицей измерения энергии этих частиц служит электрон-вольт. Это очень малая величина, примерно соответствующая кванту видимого света. Однако приходящее из глубин Вселенной излучение состоит из частиц с очень разными энергиями. Частицы малых и средних энергий исследованы неплохо – уже хотя бы потому, что их проще наблюдать и они встречаются гораздо чаще, чем частицы высоких и особенно сверхвысоких энергий. Эти последние составляют ничтожную долю в общем объёме космического излучения, однако именно они и представляют для учёных главный интерес. Есть среди них и такие, энергия которых достигает 10 в 20-й степени электрон-вольт. Это немалая энергия, особенно если иметь в виду, что вся она сосредоточена в одной ничтожно малой частице. Британский физик Алан Уотсон, профессор университета в Лидсе и один из инициаторов создания Обсерватории имени Пьера Оже, поясняет:

Эти космические частицы обладают энергией теннисного мяча, летящего со скоростью сто километров в час. Влетая в атмосферу Земли, такая частица на высоте в несколько десятков километров сталкивается с каким-нибудь из атомов воздуха, в результате чего возникает целый каскад новых частиц. По мере приближения к поверхности Земли этот поток нарастает и на Земле покрывает уже площадь в 20 квадратных километров. Если эти частицы попадают в наши резервуары с водой, возникают специфические мини-вспышки, так называемые сцинтилляции, которые мы усиливаем фотоумножителями и регистрируем. Сопоставляя данные, поступающие от разных резервуаров, мы можем вычислить направление, из которого прибыл весь этот поток частиц, и какова была энергия космической частицы, его породившей.

Таким образом, космические частицы сверхвысоких энергий, то есть с энергией выше 10 в 14-й степени электрон-вольт, прямому наблюдению не поддаются. Их приходится регистрировать и изучать косвенно, на основе порождённых ими потоков вторичных частиц – специалисты называют эти потоки широкими атмосферными ливнями. Кстати, их первооткрывателем был французский физик-ядерщик Пьер Виктор Оже, именем которого и названа обсерватория в Аргентине. Нужно сказать, что изучать космические частицы сверхвысоких энергий отнюдь не так просто, как может показаться из кратких объяснений профессора Уотсона. Уже описанные ранее черенковские детекторы с фотоумножителями – они названы там в честь советского физика, лауреата Нобелевской премии Павла Черенкова, поскольку в основе их действия лежит открытый им и также носящий его имя эффект, – представляют собой лишь одну группу регистрирующих систем – так называемую группу поверхностных детекторов. Обсерватория имени Пьера Оже включает также группу флуоресцентных детекторов, которая состоит из 24-х оптических зеркальных телескопов, из четырёх точек просматривающих небо над всей этой сетью поверхностных детекторов. Их назначение состоит в регистрации изотропного флуоресцентного свечения атомов азота, которым сопровождается прохождение через атмосферу широкого атмосферного ливня. Правда, это свечение настолько слабое, что флуоресцентные детекторы функционируют только в безлунные ночи, а они составляет здесь лишь 15 процентов всего времени. Зато такие детекторы гораздо точнее поверхностных. Данные, регистрируемые всеми детекторами – как поверхностными, так и флуоресцентными, – преобразуются в радиосигналы и благодаря интегрированным в детекторы передатчикам и антеннам поступают в вычислительный центр, где и обрабатываются. Правда, обрабатывать данные учёным приходится, к сожалению, отнюдь не так часто, как им хотелось бы, несмотря на то, что Обсерватория занимает территорию в 3 тысячи квадратных километров. Маркус Рот поясняет:

Столь гигантская площадь необходима потому, что частицы, которые мы ищем и надеемся найти, встречаются чрезвычайно редко – одна частица на один квадратный километр раз в сто лет. Если соотнести эти параметры с общей площадью Обсерватории, то получится, что в среднем мы можем рассчитывать на регистрацию 30-ти частиц сверхвысоких энергий в год.

Хотя официально первая часть Обсерватории была введена в строй лишь неделю назад, наблюдения здесь ведутся уже 4 года. Правда, учёным приходилось довольствоваться более скромным количеством детекторов. Возможно, именно поэтому им удалось зарегистрировать гораздо меньше интересующих их широких атмосферных ливней, чем предсказывала теория – не 30 в год, а 27 за 3 года – с 2004 по 2007. Однако группе под руководством профессора Уотсона этого вполне хватило для весьма интересного вывода. – или даже, если хотите, для открытия. Сам учёный излагает его суть так:

Мы полагаем, что источником этих космических частиц являются активные галактические ядра – сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик по соседству с нами, то есть на расстоянии до 300 миллионов световых лет. По космическим меркам это не так уж далеко. Чёрные дыры в этих галактиках в миллиард раз превосходят по массе наше Солнце. Мы полагаем, что энергия этих дыр каким-то образом передаётся космическим частицам.

"Каким-то образом"... Но каким? Космические частицы, как оказалось, могут обладать энергией, в миллионы раз превышающей ту, что способен придать ей самый мощный современный рукотворный ускоритель. Неясно даже, рождаются ли эти частицы такими сверхэнергичными или набирают энергию в ходе того или иного процесса. Видимо, астрофизикам известны пока не все механизмы разгона частиц, а из тех, что известны и достаточно хорошо изучены – или, по крайней мере, смодулированы, – не все способны придать частице столь значительную энергию. Кроме того, в основе гипотезы профессора Уотсона лежат результаты очень небольшого количества наблюдений. Вернее, наблюдений-то было много – к тому моменту, когда профессор опубликовал свою работу, его группа успела зарегистрировать почти миллион широких атмосферных ливней, – однако почти все они были следствием прохождения космических частиц относительно низких энергий. Правда, сам профессор Уотсон уверен в своей правоте:

Наши выводы касательно происхождения частиц сверхвысоких энергий базируются на наблюдении всего лишь 27-ми частиц. Кому-то это число может показаться очень маленьким, но открытый нами эффект выражен настолько ярко, что нам хватило и половины наблюдений, чтобы увидеть: источник частиц – активные галактические ядра. А дальнейшие наблюдения только подтвердили этот вывод.

Профессор Уотсон имеет в виду вот что: когда он нанёс предполагаемые точки зарождения зарегистрированных им частиц сверхвысоких энергий на карту небесной сферы, то в 20-ти случаях из 27-ми эти точки оказались вблизи мест расположения активных ядер галактик. Это и позволило учёному высказать свою гипотезу. Однако не все его коллеги разделяют эту точку зрения. К тому же вскоре после публикации работы Уотсона её основные выводы были поставлены под сомнение другой публикацией. Специалисты обсерватории, расположенной в США, в штате Юта, и известной под сокращённым названием "HiRes" (полное название - "High Resolution Fly's Eye", то есть "Мушиный глаз высокого разрешения), обработали таким же образом данные собственных наблюдений, относящихся к северному полушарию, и обнаружили приемлемые совпадения лишь в 2-х случаях из 13-ти. Конечно, это серьёзный удар по гипотезе профессора Уотсона, зато у учёных появился стимул ещё активнее продолжать свои изыскания в этой области. Об этом говорит и Маркус Рот:

Этот диапазон энергий представляет для нас большой интерес потому, что он пока совершенно не понят. Да, у нас есть свои представления, гипотезы, идеи, теории касательно того, откуда берутся эти частицы, но в целом это до сих пор совершено неизведанная область, terra incognita. Мы же хотим, наконец, понять, каков источник – или, может быть, каковы источники – этих частиц и какие механизмы придают им их огромную кинетическую энергию.

Технологический институт в Карлсруэ – не единственное немецкое учреждение, специалисты которого работают в Обсерватории имени Пьера Оже. В проекте участвуют и Рейнско-Вестфальская высшая техническая школа в Ахене, и Институт радиоастрономии Общества Макса Планка в Бонне, и университеты Зигена и Вупперталя. Всего же над разгадкой тайны частиц сверхвысоких энергий в аргентинских пампасах трудятся более 370 физиков, астрофизиков и инженеров, представляющих 60 научных организаций 17-ти стран мира.

Не столь масштабный, но тоже претендующий на звание рекордного проект осуществляют сейчас американские физики. В Калифорнии, к югу от Сан-Франциско, возводится самый мощный в мире рентгеновский лазер. Это будет подземное сооружение весьма внушительных размеров. Джон Галайда (John Galayda), руководитель проекта, демонстрирует своё хозяйство:

Мы находимся в туннеле линейного ускорителя, разгоняющего электроны почти до скорости света. Общая длина туннеля – 3 километра.

Объект принадлежит Стэнфордскому университету. В 60-е годы в этом туннеле располагался самый мощный в мире ускоритель элементарных частиц, сегодня его перестраивают в самый мощный в мире рентгеновский лазер. Этот проект получил название "Linac Coherent Light Source", или сокращённо LCLS, что в переводе с английского означает "Когерентный источник света на основе линейного ускорителя". Принцип действия прост: в начале туннеля специальная электронная пушка короткими импульсами выстреливает частицы в ускоритель, там они разгоняются до скорости, близкой к световой, и последние 130 метров в конце 3-километрового туннеля пролетают сквозь специальные магниты. Джон Галайда поясняет:

Эти специальные магниты называются ондуляторами. Их задача состоит в том, чтобы заставить летящие электроны колебаться, совершать своего рода слалом. Когда субсветовые электроны начинают вилять, они излучают мощные рентгеновские вспышки.

В получении рентгеновского излучения с помощью быстрых электронов нет ничего нового – этот метод используется десятилетиями. Однако до сих пор это происходило в кольцевых ускорителях. Линейный ускоритель – это премьера, – говорит Джон Галайда:

В случае LCLS электроны впервые вынуждены излучать синхронно. Скажем, совокупность из 10 тысяч электронов ведёт себя как одна большая частица. В результате и рентгеновское излучение оказывается в 10 тысяч раз мощнее.

Такая конструкция именуется лазером на свободных электронах. Получаемые рентгеновские вспышки не только гораздо мощнее, но и обладают свойствами лазерного излучения.

Это будет первый в мире рентгеновский лазер. Он позволит нам заглянуть в мир атомов и молекул, более детально изучить структуру вещества, –

говорит Келли Гаффни (Kelly Gaffney), физик Стэнфордского университета. Он уже предвкушает те исследования, которые сам проведёт на новой установке:

Что меня лично особенно интересует, так это попытаться понаблюдать за химическими реакциями в режиме реального времени. Лазер будет испускать чрезвычайно короткие рентгеновские импульсы, и это позволит нам высветить и зарегистрировать каждое перемещение молекул – наподобие того, как функционирует стробоскоп.

Келли Гаффни надеется, что результаты таких исследований позволят создавать новые катализаторы, наноматериалы и медикаменты. Планируется, что первые пробные импульсы калифорнийский лазер испустит в конце 2009-го года, а уже в 2010-м году объект вступит в строй. Кстати, сейчас в Германии, в Гамбурге, сооружается аналогичная европейская установка – "X-Ray Free Electron Laser", сокращённо XFEL. Она будет гораздо мощнее американской, но строительство завершится не ранее 2014-го года – на 5 лет позже заокеанского конкурента.