Эксперимент с привязным аэростатом на озере Байкал
С помощью разработанной учёными НИИЯФ МГУ и ФИАН РАН установки СФЕРА-2 успешно проведён эксперимент по изучению космических лучей сверхвысоких энергий (1016 - 1018 эВ). А именно, по измерению энергетического спектра и определению состава космических лучей. Эти исследования очень важны для понимания природы галактических источников космических лучей.
Эксперимент проводится следующим образом. Над покрытой снегом поверхностью Земли поднимается установка СФЕРА-2 с помощью аэростата. Делается это безлунной ночью, когда становится возможным детектировать отраженный от снежной поверхности поток фотонов, называемый в честь открывших его учёных - излучение Вавилова-Черенкова, или черенковский свет. А возникает этот свет от широких атмосферных ливней (ШАЛ), так называется каскад, рождённый от взаимодействия космических лучей с атмосферой нашей Земли. Изображение пятна черенковского света на снегу проецируется на мозаику фотоумножителей СФЕРЫ-2 с помощью его сферического зеркала диаметром 1,5 м.
О проведении исследования космических лучей с помощью установки СФЕРА-2 рассказал один из участников эксперимента кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела излучений и вычислительных методов НИИЯФ МГУ Дмитрий Валентинович Чернов.
- Дмитрий Валентинович, как работает СФЕРА-2? Объясните, пожалуйста, как говорится, на пальцах.
Принцип работы установки очень похож на обычный фотоаппарат или, скорее, на видеокамеру. От бытовой электроники СФЕРУ-2 отличает высокая световая чувствительность и быстродействие. Уже 100 фотонов, пришедших на зеркало, надежно регистрируются установкой. Быстродействие детектирования такое, что за время регистрации одной вспышки черенковского света широких атмосферных ливней на снегу пуля, выпущенная из стрелкового оружия, пролетает расстояние меньше миллиметра.
- Чем отличается СФЕРА-2 от СФЕРЫ-1?
СФЕРА-1 (1993-2000 гг.) являлась прототипом для технически более сложной СФЕРЫ-2 (с 2005 г.). Основные отличия этих установок - это оптическое разрешение детектора и регистрирующая электроника. В установке СФЕРА-1 было 19 фотоэлектронных умножителя, в то время как в СФЕРЕ-2 сейчас установлено 109 фотоэлектронных умножителя. Электронная аппаратура СФЕРЫ-2 позволяет записывать форму импульса с каждого из 109 фотоэлектронных умножителей с дискретностью 12,5 наносекунд в течении 12 микросекунд, а СФЕРА-1 могла регистрировать только заряд анодов фотоэлектронных умножителей за примерно 2 микросекунды. Это только основные отличия. Кроме того, в СФЕРЕ-2 появились датчики GPS, температуры и давления, инклинометр для определения угла наклона установки, электронный компас для определения ориентации установки, светодиодная система определения относительной чувствительности каждого фотоэлектронного умножителя детектора. Новое оборудование и программное обеспечение позволило значительно повысить точность проводимых измерений. Тем не менее, основная заслуга СФЕРЫ-1 состоит в том, что впервые удалось зарегистрировать спектр космических лучей в области 10-100 ПэВ данным методом. А ведь 10-15 лет назад многими экспериментаторами оспаривалась даже сама возможность проведения таких измерений!
- Сколько весит СФЕРА-2?
Полная масса установки с блоком аккумуляторов составляет примерно 80 кг. Ещё около 40 кг весит трос длиной 1000 м.
- Для подъёма СФЕРЫ-2 какой использовался аэростат по объёму воздуха?
Изначально планировалось использовать военный аэростат заграждения АЗ-55 объёмом примерно 750 м3. Такой аэростат способен поднять установку на высоту до 3 км. Однако скоро стало понятно, что эксплуатировать такой аппарат очень сложно и дорого. Поэтому мы обратились в НПО «Авгуръ – РосАэроСистемы» с просьбой разработать небольшой по размерам и простой в эксплуатации летательный аппарат. Специально для нашей работы был изготовлен аэростат БАПА-1 (БАйкальский Привязной Аэростат). Максимальный объём БАПА-1 около 250 м3. Рабочий газ - гелий. Для начального заполнения оболочки требуется 44 сорокалитровых баллона сжатого гелия. К сожалению, подъёмной силы аэростата БАПА-1 хватает только на то, чтобы поднять установку на высоту 1000 м, что привело к уменьшению площади наблюдаемой снежной поверхности и, соответственно, уменьшению максимальной регистрируемой энергии до 500 ПэВ вместо ожидаемых 1000 ПэВ.
- На какую высоту была поднята в марте 2013 года СФЕРА-2?
Максимальная высота подъёма аэростата БАПА-1 с установкой СФЕРА-2 1000 м. Максимальная высота, как правило, определяется массой аппаратуры, троса и ветровой нагрузкой. При проведении измерений высота установки позволяет регулировать диапазон энергий регистрируемых событий и оптическое разрешение (детальность) изображения вспышек черенковского света (ЧС) широких атмосферных ливней на снежной поверхности. Т.е. чем выше мы поднимаем установку, тем большие первичные энергии регистрируем, но тем меньше фотоумножители видят эту вспышку. Проведённые в нашей лаборатории расчёты показали, что оптимальная рабочая высота - это 600-700 м над снежной поверхностью. Здесь достигается баланс между различными требованиями: по возможности низкий энергетический порог, высокое пространственное разрешение и достаточно широкий энергетический диапазон. Поэтому в 2012 и 2013 годах мы проводили измерения в основном на этой высоте. Однако, когда ветер усиливался, нам приходилось опускать аэростат и несколько сеансов были проведены на высоте 400 м.
- Почему эксперимент проводится именно в марте?
В настоящее время измерения проводятся на озере Байкал. Ледовая поверхность Байкала, покрытая снегом, является идеальным экраном для регистрации вспышек черенковского света широких атмосферных ливней. В конце февраля и в марте лед на Байкале имеет достаточную прочность для развёртывания стартовой площадки аэростата. Определяющую роль в проведении этого эксперимента играет помощь руководства и сотрудников Байкальского нейтринного стационара ИЯИ РАН, на котором в этот же период проводятся работы по созданию нейтринного телескопа НТ-1000.
- Сколько было всего подъёмов СФЕРЫ-2 в марте 2013 года и до этого времени?
В марте 2013-го года проведено 5 подъёмов установки. Всего в период с 2008 по 2013 год было осуществлено 23 подъёма.
- В среднем на какое по продолжительности время поднимали СФЕРУ-2?
Время экспозиции при каждом подъёме установки рассчитывается по длительности тёмного времени суток и лунным фазам. В среднем каждый период измерений составляет 8-9 часов в сутки.
- Какие были получены результаты?
В 2012 году было проведено восстановление спектра всех ядер космических лучей. С помощью используемой методики впервые проведено достаточно детальное исследование систематических и методических погрешностей, которые увеличивают неопределенность измеряемого спектра. Тут нужно отметить, что далеко не во всех экспериментах изучению систематических эффектов уделяется должное внимание, поэтому декларируемые погрешности измерений часто во много раз меньше действительных.
В 2012 году также была проведена первая попытка разделения спектра по группам ядер. Была оценена средняя доля лёгких ядер в диапазоне энергий 30-150 ПэВ (3*1016-1.5*1017 эВ), которая составила 21+-11 %. Полученные результаты в целом согласуются с мировыми. Исследование систематических эффектов продолжается (оно особенно важно в задаче исследования массового состава) и поэтому все результаты являются предварительными. Новый экспериментальный материал, полученный в экспедиции 2013 года, позволит уменьшить погрешности измерений. Особые надежды мы возлагаем на совершенствование процедуры анализа данных. Фактически, в лучших современных экспериментах измерительная аппаратура и программы анализа данных составляют одну измерительно-вычислительную систему, и второе звено (анализ) так же важно, как и первое (измерения).
- С какими трудностями сталкивались?
Проблемы у нас типичные для российской науки: острая нехватка квалифицированных кадров и недостаток финансирования. Следствием чего становится увеличение срока реализации проекта и снижение эффективности проведённых исследований. Как я уже упомянул ранее, применение более дешёвого аэростатного оборудования привело к уменьшению максимальной регистрируемой энергии. Ещё большие проблемы возникли, когда при изготовлении фотоприёмной мозаики вместо монтажа запланированных фотоэлектронных умножителей Hamamatsu R3886 пришлось использовать более дешёвые, но устаревшие и менее чувствительные фотоэлектронные умножители. Это уменьшило количество зарегистрированных событий примерно в 6 раз! Соответственно, статистические ошибки измерений возросли более чем в 2 раза. Например в прошлом году мы представили первые предварительные результаты исследования химического состава космических лучей на европейском симпозиуме ECRS-2012. Однако, малая статистическая обеспеченность измерений не позволила получить надёжный результат. При добавлении экспериментального материала 2013 года мы сможем улучшить наш результат, но мы уже не будем первыми - аналогичные результаты уже опубликованы в апреле 2013 года коллаборацией KASCADE-Grande с использованием другой методики. Этот пример показывает, что проводить исследования необходимо с использованием самого лучшего оборудования на высоком техническом уровне, а экономия на науке приводит к хроническому отставанию в фундаментальных исследованиях.
- В каком контейнере хранится СФЕРА-2 между подъёмами, что она сохраняется в течение многих лет?
Установка хранится в разобранном виде. После окончания измерений установка разбирается. Мозаику фотоумножителей и блок электроники мы привозим в НИИЯФ МГУ для тестирования, текущего ремонта и усовершенствования. На Байкале остается металлический каркас с зеркалом и термостатирующий бокс для электроники. Всё оборудование хранится в обычном контейнере на базе ИЯИ РАН на берегу Байкала. Конечно, перепады температур и высокая влажность негативно влияют на сохранность отражающего слоя зеркала. По этой причине в 2010-м и 2013-м годах перед началом измерений были проведены замены всех сегментов зеркала.
- Срок службы СФЕРЫ-2?
При хорошем обслуживании срок службы установки составит 10-15 лет. Однако, срок эксплуатации определяется скорее целесообразностью накопления данных. Из прошедших 6-ти экспедиций в 3-х первых мы отрабатывали запуски аэростата и тестировали аппаратуру. В течение последних 3-х экспедиций мы набрали основной статистический материал. Дальнейшее накопление данных становится малоэффективным, так как даже двукратное увеличение статистического материала уменьшает статистические ошибки результатов незначительно. Поэтому продолжать эксплуатацию СФЕРЫ-2 мы не планируем. Основные усилия сейчас концентрируются на обработке полученных данных и разработке нового проекта. Пока рабочее название перспективной установки - СФЕРА HD - по аналогии с телевидением высокой чёткости (HD) новый прибор должен обеспечить высокую чёткость изображения вспышек черенковского света на снегу. По сравнению со СФЕРОЙ-2 мы ожидаем от СФЕРЫ HD в 100 раз большей статистической обеспеченности, более широкий энергетический диапазон от 3 до 1000 ПэВ и лучшую чувствительность к типу первичной частицы.
О прошедшей экспедиции на озеро Байкал и исследовании космических лучей с помощью установки СФЕРА-2 снят получасовой фильм самими участниками эксперимента. Посмотреть его можно на сайте в разделе «Видео». Или по ссылке: http://sphere.sinp.msu.ru/video/Sphere2_640_ver2_5.avi