Приходящие из глубокого космоса частицы первичного космического излучения несут информацию о том, что там происходит, о наиболее энергичных событиях и активных объектах во Вселенной: галактических ядрах, релятивистских струях вещества (джетах), взрывах сверхновых, пульсарах и т. п. Возможно, со временем они приоткроют тайны тёмной материи и помогут раскрыть загадку отсутствия антиматерии в нашей Вселенной. Открытые чуть более ста лет назад, в 1912 году, космические лучи уже дали науке много значительных результатов не только в астрофизике, но и ядерной физике, и исследования продолжаются. В частности, именно благодаря им ещё до создания мощных ускорителей были открыты элементарные частицы позитрон, мюон, п- и К-мезоны и гипероны.
Однако поверхности Земли первичные лучи чаще всего не достигают из-за столкновений с атомами атмосферы. При этом рождаются вторичные частицы и даже целые их ливни. Разумеется, эти процессы тоже несут много информации для физиков. Но для астрофизики необходимо исследовать первичные космические лучи, а для этого надо запускать оборудование в космос. Наблюдениям первичных космических лучей посвящён эксперимент «PAMELA».
Название прибора «PAMELA» расшифровывается как Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics — полезная нагрузка для исследования антиматерии, материи и астрофизики лёгких ядер. Прибор разместили на спутнике «Ресурс ДК1», который 15 июня 2006 года вывела на орбиту ракета-носитель «Союз–У», стартовавшая с космодрома Байконур. Спутник занимался главным образом космической съёмкой земной поверхности с высоким разрешением (не хуже 1 м в монохромном режиме): за время работы он отснял более 100 млн квадратных километров, а «ПАМЕЛА» ловила космические лучи. Первоначально миссия планировалась на три года, но в итоге спутник проработал более девяти лет, до февраля 2016 года, когда с ним прервалась связь. Сначала орбита спутника была эллиптической (высота от 355 до 584 км), но в 2010 году её изменили на круговую с высотой около 550 км. Период обращения составлял около 94 минут.
Эксперимент «ПАМЕЛА» провела международная коллаборация исследователей, в первую очередь из России и Италии, а также из Швеции и Германии. В обработке данных участвовали и учёные других стран. Со стороны России в коллаборацию входили Московский инженерно-физический институт (НИЯУ МИФИ), Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН), Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе РАН (ФТИ). С итальянской стороны — Национальный институт ядерной физики (INFN) со своими филиалами в нескольких университетах. Руководителем проекта с российской стороны стал доктор физико-математических наук Аркадий Моисеевич Гальпер (МИФИ).
Информацию со спутника принимал Научный центр оперативного мониторинга Земли в московском районе Отрадное, откуда она поступала в МИФИ для первичной обработки, а затем передавалась всем участникам эксперимента, как в России, так и за рубежом, для последующей совместной обработки и анализа. За три-четыре сеанса связи ежедневно на Землю передавалось 15—20 Гбайт информации, для чего специально была разработана высокоскоростная радиолиния. Всего за девять лет накоплено 55 Тбайт данных, что соответствует нескольким миллиардам зарегистрированных событий.
Что измеряла «ПАМЕЛА»? Потоки и энергии протонов, антипротонов, электронов, позитронов и лёгких ядер (дейтрон, гелий, антигелий, бериллий, бор, литий, углерод), причём измерения были проведены до энергий в единицы ТэВ (1 ТэВ = 1012 эВ), недоступных в предшествующих экспериментах. Ранее в лучшем случае достигался уровень 50 ГэВ. Беспрецедентная достоверность результатов обеспечивалась возросшим во много раз объёмом данных, как говорят специалисты, «статистикой». Исследователи получили энергетические спектры, показывающие, сколько частиц какой энергии содержат космические лучи.
Аппарат массой 470 кг, высотой 1,2 м, шириной около 70 см в поперечнике и потребляемой мощностью 360 Вт содержал несколько детекторных систем. Сердце установки — магнитный спектрометр для измерений траекторий заряженных частиц. Сильный постоянный магнит изгибал траектории частиц, прошедших через приёмное окно (апертуру) прибора. По форме траекторий можно оценить знак электрического заряда и жёсткость частиц (отношение импульса к заряду). Частицы с одинаковой жёсткостью имеют одинаковые траектории в магнитном поле.
Три группы сцинтилляционных датчиков, расположенных перед апертурой и позади спектрометра, измеряли время пролёта частиц. Срабатывание всех групп означало пролёт частицы через апертуру прибора и включало регистрацию данных. Последовательность включения групп позволяла определить направление прилетевшей частицы и найти её скорость. Система антисовпадений с датчиками,, расположенными вокруг спектрометра, идентифицировала частицы, влетевшие в него не через апертуру.
Калориметр измерял энергию, выделяющуюся при взаимодействиях электронов и позитронов в вольфраме. Полное энерговыделение в нём зависело от энергии первичной частицы. Задачу помогали решать расположенные под калориметром нижний сцинтиллятор и детектор нейтронов. По форме ливней можно было различать породившие их лептоны и адроны. Ось ливня показывала направление прилёта первичной частицы.
Исследователи обнаружили много интересных особенностей космических лучей. Например, формы энергетических спектров протонов и ядер гелия высоких энергий несколько отличаются, а значит, различаются процессы их возникновения при взрывах сверхновых в нашей Галактике.
Изотопный состав космических лучей может многое рассказать об их источниках и о процессах образования вторичных космических лучей в ядерных реакциях при взаимодействии первичных космических лучей с межзвёздной средой. Протоны (водород) и гелий (4He) — основные компоненты галактических космических лучей — составляют соответственно 90% и 8—9% общего потока. Считается, что они имеют первичное происхождение, в то время как редкие изотопы 2H (дейтрон), 3He и 6Li в космических лучах относят к вторичным. А вот изотоп 7Li может появиться и при рождении звёзд, и в первичном нуклеосинтезе во время Большого взрыва.
Особенно пристально исследователи искали различия в потоках космических лучей в зависимости от направления (анизотропию). Ведь это позволило бы напрямую обнаружить источники космических лучей. Однако пока подтверждено лишь существование уже известной крупномасштабной анизотропии, происхождение которой так до конца и не ясно. Зато её удалось измерить одновременно для Южного и Северного полушарий.
Любопытно, что изучение космических лучей позволяет исследовать и процессы в гелиосфере, области Солнечной системы, где велико влияние солнечного ветра и магнитного поля. Магнитное поле Солнца, «вмороженное» в солнечный ветер, воздействует на заряженные частицы лучей, вытесняя их из гелиосферы. Так что в периоды сильной активности Солнца, когда потоки солнечного ветра более мощные, а магнитное поле более неоднородное в пространстве, потоки галактических космических лучей менее интенсивны. Это явление называют солнечной модуляцией. Эффективность модуляции уменьшается с расстоянием от Солнца. Именно на основе анализа этой зависимости наблюдатели на Земле могут оценить положение внешней границы области модуляции, которая находится на расстоянии около 100 а. е. Там должна располагаться пограничная ударная волна гелиосферы и гелиопауза. В 2008—2009 годах Солнце пережило особенно долгий спокойный период, хорошо подходящий для изучения модуляции. Поскольку спутник проработал дольше запланированного времени, исследователи захватили различные фазы солнечной активности 23-го и 24-го циклов.
Благодаря низкой орбите и очень точной идентификации частиц в эксперименте «ПАМЕЛА» получена детальная информация о потоках протонов, антипротонов и дейтронов в земной магнитосфере. Интересно, что, используя современную модель геомагнитного поля, по данным положения спутника и измеренным характеристикам удалось рассчитать траектории зарегистрированных частиц и определить, какие из них захвачены геомагнитным полем, а какие рождены от атмосферы (частицы альбедо). Расчёт траекторий для прилетающих из космоса частиц позволял восстановить исходные направления их движения в межпланетном пространстве за пределами магнитосферы, исключив искажающее влияние магнитного поля Земли.
Именно здесь «ПАМЕЛА» сделала одно из самых значительных открытий: впервые обнаружила наличие антипротонного радиационного пояса, окружающего нашу планету. Радиационный пояс — это область, где скапливаются захваченные геомагнитным полем частицы. Первоначально пояс антиматерии был обнаружен в районе Южно-Атлантической аномалии, где радиационные пояса Земли находятся ближе всего к её поверхности. Там прибор фиксировал в несколько тысяч раз больше антипротонов, чем можно было бы ожидать при обычном распаде частиц или приходе из космоса. Образуются эти антипротоны в результате распада альбедо-антинейтронов, порождаемых взаимодействием космических лучей с атмосферой.
Античастицы при столкновении со своими обычными собратьями аннигилируют — уничтожают друг друга, но на этих высотах концентрация частиц достаточно мала и они могут существовать длительное время. Появились идеи, что в будущем эту антиматерию можно собирать и использовать в качестве топлива для космических кораблей.
Помимо научного интереса результаты эксперимента «ПАМЕЛА» имеют и практическое значение, поскольку дают возможность оценить радиационную обстановку в околоземном космическом пространстве. Ведь радиация влияет на здоровье космонавтов, работающих на орбите, а в будущем и на членов экспедиций на Луну и Марс. Инженерам нужна эта информация, чтобы разрабатывать адекватную защиту. Кроме того, радиация губительно действует на полупроводниковую электронику, поэтому знание радиационного фона — из каких частиц он состоит, с какими энергиями — нужно для создания аппаратуры, способной его выдержать.Точное его знание позволит не превышать «с запасом» уровень защиты микросхем, делая их производство значительно дешевле.
Анализ информации о космических лучах позволил подступиться и к самым загадочным вопросам современной астрофизики — проблемам тёмной материи и антиматерии, которые в эксперименте «ПАМЕЛА» оказались связанными.
Пока что все наблюдения показывают отсутствие антивещества в видимой части Вселенной (барионная асимметрия). Объяснение этого — одна из важнейших проблем космологии. Тем не менее астрофизики допускают существование звёзд и даже галактик из антиматерии. Вопрос в том, как их обнаружить. Наличие антипротонов и позитронов в космических лучах не служит свидетельством существования антизвёзд, поскольку их может порождать взаимодействие частиц космических лучей с атомами обычного вещества. Хотя если очень точно установить существующий фон этих частиц, то, возможно, удастся обнаружить их поток от далёких антигалактик как его искажение. Однако значимых отклонений от изотропности в потоке античастиц пока найти не удалось.
Самый надёжный способ доказать существование антизвёзд — найти в космических лучах атомы антиматерии тяжелее водорода. В первую очередь — антигелия. Вероятность случайного возникновения атома антигелия из антипротонов и антинейтронов крайне мала. К сожалению, пока их в эксперименте «ПАМЕЛА» не было зарегистрировано, несмотря на высокую его чувствительность. Прибор был способен обнаружить один атом антигелия на 10 млн обычных.
Наблюдение за античастицами, возможно, приблизит понимание тёмной материи. Такое название она получила за то, что не испускает электромагнитного излучения. Это делает невозможным её прямое наблюдение. О её существовании свидетельствует тот факт, что наблюдаемое движение космических объектов в галактиках и гравитационное линзирование требуют значительно большей массы, чем видят астрономы. Например, рукава спиральных галактик вращаются в 10—15 раз быстрее, чем это следует из видимой массы.
Теоретические модели показывают, что неуловимые частицы тёмной материи способны распадаться, а при столкновениях аннигилировать, порождая обычные частицы и античастицы с более или менее определённой энергией. Таким образом, в энергетическом спектре этих частиц должен быть виден пик, соответствующий этой энергии, который и пытаются найти наблюдатели в космических лучах. Лучше всего на эту роль подходят античастицы (антипротоны и позитроны), которые составляют малую долю в общем потоке.
Ранние результаты эксперимента «ПАМЕЛА» по исследованию электронов и позитронов показали увеличение доли позитронов с ростом энергии выше 10 ГэВ. Это явление, получившее название «аномальный эффект ПАМЕЛА», сильно всколыхнуло научную общественность, поскольку для позитронов, рождающихся в результате столкновений космических лучей с веществом, с ростом энергии количество частиц должно убывать. Американское физическое общество даже включило это открытие в список десяти выдающихся мировых физических результатов за 2008 год наряду с запуском Большого адронного коллайдера в Женеве. А его объяснению посвящены около тысячи научных работ.
Возникла гипотеза, что возможный источник этих позитронов — тёмная материя в галактическом гало. Если бы гипотеза подтвердилась, это был бы первый связанный с тёмной материей экспериментальный результат. Однако такое предположение оказалось в противоречии с результатами измерений для антипротонов, спектр которых не имеет подобной аномалии. Многие астрофизики в настоящее время склоняются к другим объяснениям явления. В первую очередь подозревают пульсары — быстро вращающиеся нейтронные звёзды, в сильных магнитных полях которых могут рождаться электрон-позитронные пары. Хотя, возможно, неточна общепринятая модель возникновения космических лучей при взрывах сверхновых звёзд, определяющая их состав и взаимодействие с межзвёздной средой.
Стоит отметить, что отрицательные результаты экспериментов для науки тоже важны. Благодаря им удаётся установить ограничения, имеющие важные следствия для теорий тёмной материи и образования барионной асимметрии. Эти ограничения устанавливают диапазон возможных значений физических характеристик ещё не открытых частиц и применимость тех или иных теорий.
Вклад в исследования молодых физиков из Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» Александра Карелина, Сергея Колдобского и Андрея Майорова высоко оценило Правительство Москвы, вручив им Премию молодым учёным за 2016 год за «исследование потоков лёгких ядер, их изотопов и антиядер в космических лучах в эксперименте “ПАМЕЛА”».
Александр Карелин оказался вовлечён в работу коллаборации «ПАМЕЛА» ещё студентом, до запуска прибора на орбиту. Прежде чем обрабатывать данные, он работал с приборами и даже ездил на калибровку наземного образца «ПАМЕЛА» с русской частью аппаратуры — нижним сцинтилляционным детектором и нейтронным детектором — на ускоритель SPS в ЦЕРН. В дальнейшем участвовал в исследованиях энергетических спектров протонов и ядер гелия высоких энергий и их угловых распределений (анизотропии). Именно в этих исследованиях было обнаружено различие спектров, которое свидетельствует о различии процессов возникновения протонов и ядер гелия при взрывах сверхновых в нашей Галактике.
Сергей Колдобский обратился к эксперименту «ПАМЕЛА» в 2009 году, когда в дипломной работе разрабатывал методику разделения лептонов и адронов с помощью нейтронного детектора аппаратуры «ПАМЕЛА». В 2010 году он начал дежурить в качестве оператора по приёму данных эксперимента «ПАМЕЛА», а в 2011-м стал действительным членом коллаборации «ПАМЕЛА». Сергей исследовал изотопы водорода в космических лучах и альбедо. Специально для идентификации дейтронов он разработал метод распознавания частиц, основанный на корреляционном анализе сигналов от различных детекторов и способный отсеять события, связанные с протонами. Это решило одну из основных сложностей при изучении дейтронов, поскольку протонов, которые при регистрации в аппаратуре эксперимента могут имитировать дейтронные события, очень много.
Андрей Майоров участвует в эксперименте с момента запуска спутника. Он выполнял широкий круг обязанностей, связанных с управлением работой прибора в полёте, экспресс-обработкой данных телеметрии и состояния детекторов, а также занимался обработкой и анализом полученной научной информации. Андрей впервые с высокой статистической точностью получил спектр антипротонов и соотношение потоков антипротонов и протонов в первичном космическом излучении. Для этого он разработал новый метод идентификации антипротонов в экспериментах с трековой системой и позиционно-чувствительным калориметром, основанный на машинном обучении. Также он получил ограничения на потоки антидейтронов и антигелия в галактических космических лучах. Проводил Майоров и прикладные работы, связанные с радиационной обстановкой в околоземном пространстве. В частности, исследовал потоки солнечных космических лучей высоких энергий, ускоренных в результате солнечных вспышек, и потоки галактических протонов и ядер гелия в зависимости от уровня солнечной активности.
В настоящее время лауреаты премии продолжают работать в коллаборации «ПАМЕЛА», обрабатывая накопленные данные. В дальнейшем они планируют принять участие в проекте «ГАММА-400», в котором международная орбитальная астрофизическая обсерватория будет исследовать гамма-излучение в космосе. Проект связан с изучением космических лучей, тёмной материи и различных высокоэнергичных источников гамма-излучения (пульсары, сверхновые, квазары и т. д.).
