Ливни знаний

Научно-образовательный проект российских физиков позволяет любому пользователю Интернета попробовать силы в современном физическом эксперименте по изучению космических лучей с использованием распределенной установки для регистрации широких атмосферных ливней «Русалка».

Проверить справедливость фундаментальных законов механики может в домашних условиях каждый школьник. Для опытов, демонстрирующих основные законы термодинамики, электромагнетизма и оптики, достаточно оборудования, имеющегося в школьной лаборатории. В физических лабораториях большинства вузов можно повторить эксперименты, определившие развитие физики в начале XX века. Однако, в таких фундаментальных областях науки, как астрофизика или физика элементарных частиц, стоимость по-настоящему современных установок часто сравнима с годовым бюджетом небольшого государства. Как правило, такие установки недосягаемы не только для школьников, но и для подавляющего большинства студентов. Поэтому представления о том, в чем в наше время состоит работа физиков, школьник, при выборе будущей профессии и соответствующего ВУЗа в большинстве случаев не имеет.

Познакомиться с современным физическим экспериментом ближе позволяет интернет-проект «Ливни знаний». Имея лишь доступ во Всемирную паутину, любой желающий может с помощью этого проекта принять участие в исследовании космических лучей, на практике познакомиться с экспериментальными методами физики элементарных частиц и попробовать себя в анализе данных.

Космические лучи представляют собой поток частиц высоких энергий, непрерывно бомбардирующих из космоса нашу планету. В состав космических лучей входят в основном протоны и лёгкие ядра солнечного и галактического происхождения. До поверхности Земли эти частицы не долетают: взаимодействуя с веществом атмосферы, они порождают каскад новых, вторичных частиц. Если энергия первичной частицы относительно невелика, то эти новые частицы каскада тоже «застревают» в атмосфере. Однако при энергии первичной частицы выше 10¹³ электронвольт порождаемый ею каскад вторичных частиц настолько интенсивен, что его поперечный размер на уровне земной поверхности составляет десятки, сотни и даже тысячи метров. Такие каскады называют широкими атмосферными ливнями (ШАЛ).

С момента открытия Виктором Францем   Гессом в 1912 году и до появления ускорителей космические лучи были единственным доступным источником элементарных частиц высоких энергий. Именно благодаря им были открыты позитрон, мюон, пион и К-мезон. Но даже сейчас, в эпоху гигантских ускорителей, космические лучи не утратили свое значение, поскольку энергия частиц в них в тысячи, а иногда в миллионы раз превышает рекордную величину, достигнутую на Большом адронном коллайдере. Отметим, что существует несколько предположений о механизмах ускорения космических лучей сверхвысоких энергий, но экспериментальных сведений пока недостаточно.

Наибольший интерес к космическим лучам высоких энергий питает астрофизика. Из-за хаотичной конфигурации галактического магнитного поля космические лучи низких энергий долго блуждают по Галактике и, доходя до нас, уже не «помнят», откуда и когда они были испущены. Однако траекторию частиц с энергией выше 10¹⁹ электронвольт межзвёздные магнитные поля практически не искривляют. Поэтому, регистрируя направление прихода таких частиц, можно установить положение источников космических лучей на небесной сфере и попытаться связать их с уже известными астрономическими объектами. Именно на такие наблюдения ориентированы многочисленные обсерватории для регистрации ШАЛ.

В проекте «Ливни знаний» используются данные, получаемые на установке «Русалка», построенной в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне. Она состоит из семи автоматических станций, способных регистрировать факт прохождения частиц вторичного космического излучения. Станции расположены внутри круга диаметром около 300 метров. Научная ценность каждой отдельной станции невелика, хотя поступающие данные активно используется для лабораторных работ, иллюстрирующих принципы работы установки и демонстрирующих хорошо известные явления физики космических лучей. Однако, анализируя одновременно сигналы нескольких станций можно не только выделять совпадающие по времени отклики, вызванные приходом ШАЛ, но и восстанавливать его направление. Для точной синхронизации станций используются обычные GPS-приемники, работающие в необычном режиме измерения времени при известном местоположении. Установка «Русалка» способна регистрировать ШАЛ, инициированные первичной частицей с энергией выше 10¹⁴ электронвольт. Поскольку на развитие ШАЛ оказывает влияние состояние атмосферы, в состав установки входит метеостанция, информация с которой может быть соотнесена с сигналами детектирующих станций. Все данные, регистрируемые установкой, сохраняются и доступны для последующего анализа через Интернет.

Сама идея дать школьникам и студентам возможность поработать с распределённой системой регистрации космических лучей появилась в США и Канаде, а затем пришла в Европу. В настоящее время похожие проекты успешно реализуются в Италии, Чехии, Бельгии и других странах. Отличительной особенностью проекта «Ливни знаний» является принципиально иной подход к размещению детектирующих станций. В других проектах станции размещаются в школах и других учебных заведениях, типичное расстояние между которыми не менее нескольких километров. ШАЛ, способные вызвать одновременное срабатывание нескольких столь удаленных станций, чрезвычайно редки. Поэтому ключевые задачи на таких установках обычно связаны лишь с методикой регистрации вторичных космических лучей. Относительная компактность установки «Русалка» делает возможным не только регистрацию до нескольких ШАЛ в час, но и позволяет изучать их свойства.

Для анализа данных, полученных в проекте «Ливни знаний», достаточно зарегистрироваться на сайте. После регистрации участники проекта могут интерактивно обрабатывать любые данные, полученные за время работы установки, начиная с 2009 г. Для обработки используются заранее подготовленные алгоритмы, многочисленные параметры которых можно легко менять. Набор алгоритмов постоянно пополняется, и к началу 2013 года их число превышает два десятка. Через короткое время после запуска алгоритмов на экране появляется результат - многочисленные графики и гистограммы. Существуют различные по сложности сценарии анализа данных, от применения элементарных методов математической статистики до использования своих собственных, сколь угодно сложных программ обработки. Как и в современной науке, успешной оказывается работа в команде, когда программу исследований сообща выполняют, например, несколько участников школьного физического кружка или виртуального сообщества. Важно, что в любой момент можно получить консультацию опытных специалистов - физиков ОИЯИ, создавших и сопровождающих этот проект.

«Ливни знаний» ждут любознательных посетителей, неравнодушных к загадкам астрофизики и физики элементарных частиц и желающих самостоятельно ознакомиться с задачами и методами исследований в области современной физики!

Заинтересовавшиеся могут получить более подробную информацию о проекте на форуме.

Иллюстрации:

1.Широкий атмосферный ливень (схема). 2.Схема установки «Русалка»