«СФЕРА» над Антарктидой

Российские физики разработали новый прибор «СФЕРА-Антарктида» и планируют с его помощью провести в Антарктиде исследования космических лучей.

 Главный научный сотрудник ФИАН, профессор Юрий Стожков, так рассказал об антарктическом эксперименте:
«Проект направлен на решение фундаментальной проблемы – поиск источников частиц сверхвысоких энергий. Предлагается оригинальный метод решения поставленной задачи, который заключается в полете высотного аэростата с научной аппаратурой на борту на высоте ~30 км вокруг Антарктиды. Высокоэнергичные частицы, приходящие из космоса, образуют ливни в атмосфере, которые дают свечение атмосферы и отраженные от заснеженной поверхности вспышки света. Регистрация световых вспышек позволит определить направление  высокоэнергичных частиц и их энергию.

Проект безусловно относится к числу амбициозных, и в случае успеха позволит российской науке существенно укрепить свои позиции в области фундаментальных физических исследований».

Действительно, метод, используемый в эксперименте СФЕРА, уникален. Он стал следствием развития идеи советского академика Александра Евгеньевича Чудакова и ранее в мировой практике не использовался. Небольшая установка на аэростате поднимается ночью над Землей и регистрирует отраженное от заснеженной поверхности излучение Вавилова-Черенкова – так называемый «черенковский свет», а также флуоресцентное свечение широких атмосферных ливней (ШАЛ).
                                                                
ШАЛ – это сноп из вторичных частиц, который образуется, когда высокоэнергетическая частица после блуждания по Вселенной влетает в атмосферу Земли, сталкивается с молекулами и ионами, порождая  целый каскад самых разнообразных вторичных частиц и излучений.

Флуоресцентный свет появляется из-за того, что каскад вторичных частиц ионизирует молекулы атмосферы. По нему можно узнать форму каскада и определить тип первичной частицы, то есть, понять, был ли это протон или что-то другое. Черенковский свет возникает при движении частиц каскада быстрее света в атмосфере, и излучается вдоль оси развития каскада. Тут надо напомнить, что скорость света в прозрачной среде меньше, чем скорость света в вакууме, поэтому частица, которая двигалась в космическом пространстве с околосветовой скоростью, при попадании в атмосферу может «обогнать» свет. Анализируя это излучение, можно оценить энергию и направление прихода первичной частицы.

Однако возникающие при этом вспышки света столь кратковременные и  слабые, что широкие атмосферные ливни незаметны для человека и регистрируются только с помощью специальных сверхчувствительных детекторов – фотоэлектронных умножителей, на которые свет проецируется  сферическим зеркалом. 
                           
«СФЕРА-Антарктида» («СФЕРА-А») – это единственная установка, которая может эффективно регистрировать одним детектором оба типа светового излучения космических лучей: флуоресцентный свет и черенковский свет (рис.1). Из-за малой яркости этих вспышек измерения проводятся в тёмное время суток, в ясную погоду, и только в такие дни, когда на небе нет Луны. Долгая полярная ночь, чистая атмосфера, устойчивые воздушные потоки и обустроенные российские полярные станции  делают Антарктиду отличным местом для проведения эксперимента.
   
Проект «СФЕРА-Антарктида» был разработан на основе успешно реализованного предыдущего проекта «СФЕРА», в котором также использовался аэростат с закреплённым на нём прибором и поднимавшийся над покрытым снегом льдом озера Байкал на высоту до 3 км (рис.2).

Еще раньше, в 1995-2000 годах, была разработана и изготовлена установка «СФЕРА-1» и получены экспериментальные данные об энергиях космических лучей. Подъем установки на аэростате осуществлялся в районе г. Вольск в Саратовской области. В 2004 году в период 49-й Российской Антарктической Экспедиции был проведен первый пробный подъем установки «СФЕРА-1» в Антарктиде вблизи полярной станции Новолазаревская.

По сравнению с прошлыми установками новая «СФЕРА-А» гораздо совершеннее и точнее. Участник проекта старший научный сотрудник НИИЯФ МГУ Дмитрий Чернов так прокомментировал разработку:
«Наш прибор имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими существующими и проектируемыми приборами: высокая точность определения энергии частиц первичных космических лучей, высокая точность определения глубины максимума развития каскада частиц в атмосфере Земли, сравнительно низкая стоимость проведения эксперимента по сравнению с существующими наземными и проектируемыми космическими установками, возможность проведения регулярных запусков в период полярной ночи».

Заведующая Лабораторией теоретических и экспериментальных исследований взаимодействий и переноса излучений в различных средах отдела космических наук НИИЯФ МГУ Татьяна Роганова добавляет:
 «Проект СФЕРА-Антарктида заслуживает самой высокой оценки и поддержки. В настоящее время этот проект включает в себя в основном российские организации, в дальнейшем возможно расширение участия зарубежных партнеров. Следует отметить, что проведение такого рода исследований в Антарктиде позволит расширить круг исследований, проводимых на этом континенте с участием российских ученых. В то же время проведение такого эксперимента даст необходимый толчок развитию и использованию в России аэростатной техники».

По материалам ФИАН Инфо