Научный объект мирового значения в долине Эркээнэ

(Слепцов И.Е. Научный объект мирового значения в долине Эркээнэ // Ж-л «Хангыл», ОАО «Медиа-холдинг Якутия», 2013, декабрь, №6, c.28-29.)

 

В 2012 г. исполнилось 100 лет со дня открытия космических лучей (КЛ), систематическое изучение которых сыграло важную роль не только в физике элементарных частиц, но и в астрофизике.

Космические лучи состоят из протонов, a-частиц и ядер более тяжелых химических элементов. Эти частицы обладают энергией в таком широком интервале, что их энергетический спектр охватывает область энергий от 10⁶ вплоть до 10²⁰ эВ. По сложившейся   терминологии КЛ с энергией  выше 10¹⁵ эВ называются космическими лучами сверхвысоких энергий. Выделение этой области в отдельное направление связано с методикой исследований, основанной на регистрации и изучении свойств образующихся при таких энергиях широких атмосферных ливней (ШАЛ). Дело в том, что при вхождении частицы космического излучения в атмосферу Земли в результате её взаимодействия с атомами воздуха уже в верхних слоях  начинается и развивается вглубь лавинообразный процесс образования мощного потока вторичных элементарных частиц и коррелированного с ним электромагнитного излучения. В глубине атмосферы такие потоки, которые и называются широкими атмосферными ливнями, достигают больших поперечных размеров. Например, частицы КЛ с энергией выше 10¹⁸ эВ порождают ШАЛ, которые вблизи поверхности Земли содержат  10⁹ и более заряженных частиц, в основном электроны, падающих практически одновременно на площадь в несколько квадратных километров. Именно это обстоятельство позволяет вести  регистрацию ШАЛ специально созданными для этой цели  установками, состоящими из  сети  детекторов частиц, разнесенных на относительно большие расстояния друг от друга. Таким образом,  становится возможным  контролировать площади десятки, сотни  квадратных километра,  что является необходимым условием для таких экспериментов из-за крайне  малой интенсивности КЛ сверхвысоких энергий.   Установлено, что поток КЛ с энергией 10¹⁹ эВ составляет всего  1 частица (или 1 событие ШАЛ) на 1 квадратный километр за 1 год. Это обстоятельство требует обеспечения непрерывной работы таких установок на десятки лет.

Исследование свойств ШАЛ служит базой, с одной стороны, для изучения параметров ядерных взаимодействий в области экстремальных энергий, которые не достигнуты еще на современных ускорителях; с другой, для получения характеристик КЛ – энергетического спектра, распределения направлений прихода на небесной сфере, массового состава и природы первичных частиц. Знание всех этих характеристик имеет определяющее значение для решения задачи происхождения космических лучей, т. е. выявления основных источников частиц, механизмов ускорения и процессов распространения в космической среде.

История развития этого научного направления в Якутии уходит своими корнями в 1948 год,  когда  на тернистый путь науки встал бывший фронтовик Дмитрий Данилович Красильников. С 1953 года Д.Д.Красильников под руководством С.И.Никольского (Физический институт им. П.Н.Лебедева АН СССР, Москва) серьёзно и надолго заинтересовался ШАЛ,  и поэтому 1953 г. можно по праву считать годом начала научных исследований КЛ в области сверхвысоких энергий в Якутии.

С созданием в 1962 году  в Якутске Института космофизических исследований и аэрономии работы, проводимые под руководством Д.Д.Красильникова по изучению ШАЛ,  стали одним из основных направлений. Опыт исследований ШАЛ научной группой из Якутии был вскоре замечен Научным советом АН СССР по проблеме «Космические лучи». Д.Д.Красильникову было предложено на практике реализовать идею создания гигантской установки ШАЛ с целью устранения «белого пятна»  в области исследований КЛ предельно высоких энергий. В 1968 г. вышло Постановление Госкомитета по науке и технике при Совете Министров СССР, согласно которому Институт получил задание на создание гигантской установки ШАЛ, были выделены дополнительные штаты и   достаточное финансирование. В строительстве и техническом оснащении установки приняли косвенное участие около 200 предприятий и организаций страны, министерства, ведомства, были задействованы и партийно-советские органы.

Весной 1966 г. состоялся выезд  на место строительства  будущей установки ШАЛ вблизи п. Октёмцы в 50 км от Якутска первого экспедиционного отряда (начальник И.Е.Слепцов). Перед экспедицией были поставлены следующие задачи: подготовка временной полевой базы, обеспечение топосъемки для  точной разметки размещения детекторов наблюдения и других объектов будущей установки, изучение физических условий, макетные испытания аппаратуры наблюдения.

 В  декабре 1970 г. была начата непрерывная регистрация на части установки, состоящей  из 13 станций наблюдения, расположенных на площади 3 км². Были получены первые предварительные результаты об энергетическом спектре, пространственном распределении заряженных частиц и черенковского света ШАЛ. В 1971 г. на международной конференции по космическим лучам в Хобарте (Австралия) Д.Красильников озвучил эти первые результаты в своём докладе. Сообщение было воспринято восторженно и результаты получили высокую оценку в выступлениях ведущих специалистов в этой области знания. 14 апреля 1973 г. Якутская комплексная установка ШАЛ  с общей площадью контроля около 20 км² была принята в эксплуатацию Госкомиссией АН СССР и получила статус Всесоюзной экспериментальной базы наблюдений для исследования КЛ в области предельных энергий.

С 1973 года по настоящее время на Якутской установке поддерживается непрерывная регистрация ШАЛ и периодически ведется обновление аппаратуры с целью улучшения характеристик установки в целом. За этот период накоплен уникальный экспериментальный материал и   получены приоритетные научные результаты как о самом явлении ШАЛ, так и об астрофизических характеристиках КЛ сверхвысоких энергий:

• изучены структурные функции и построены пространственные распределения плотности потока различных компонент ШАЛ в широком интервале расстояний от оси ливня и в диапазоне энергий Е₀ = 10¹⁵ —10²⁰ эВ;
• определена глубина максимума развития ШАЛ и из анализа их распределения получена оценка сечения неупругого взаимодействия протона с ядрами атомов воздуха в области энергий от 3×10¹⁵ до 10¹⁹ эВ;
• измерен абсолютный поток КЛ в широком интервале энергий и впервые выявлено в области энергий выше 10¹⁷ эВ существование нерегулярности в их энергетическом спектре;
• анализировано распределение направления прихода ШАЛ и получено указание на существование как крупномасштабных, так и компактных областей на небесной сфере, откуда наблюдается повышенный поток КЛ с энергией выше 5×10¹⁸ эВ;
• из данных о глубине максимума развития ШАЛ определен массовый состав КЛ и установлена сложная зависимость среднего массового числа (химический состав) от энергии;
• зарегистрировано более 700 ливней с энергией выше 10¹⁹ эВ и 23-м ливням из этого списка присвоены имена ведущих ученых и известных людей, чей вклад в создание и развитие Якутской установки ШАЛ значителен.

Признанием роли Якутской установки ШАЛ в изучении КЛ сверхвысоких энергий явилось присвоение в 1982 году высокого звания лауреатов Ленинской премии по науке создателям установки  Д.Д.Красильникову и Н.Н.Ефимову.

В настоящее время Якутская установка ШАЛ, носящая имя своего создателя Д.Д.Красильникова, является единственной в России и одной из крупнейших установок в мире, на базе которой ведутся исследования КЛ  в области энергий выше 10¹⁷ эВ. Основное и существенное её отличие от зарубежных аналогов – комплексность измерений характеристик ШАЛ. Только на Якутской установке ШАЛ реализовано одновременное измерение трех главных компонент ливня: потоков электронов, мюонов и излучения Вавилова – Черенкова частицами ШАЛ в атмосфере.