Как учёные-физики охотятся за тёмной материей в горах Заилийского Алатау

В этом году уникальному научному объекту, который расположен высоко в горах Северного Тянь-Шаня, более известному как Космостанция, исполняется 60 лет. Учёные Российского физического института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) занимаются здесь фундаментальными исследованиями космического излучения. К своему юбилею они планируют опубликовать результаты многолетней работы, а в дальнейшем привлекать к наблюдениям молодых казахстанских физиков.

История Тянь-Шанской высокогорной научной станции, расположенной в 30 километрах от центра Алматы на перевале Джусалы-Кезень, началась в конце 40 годов прошлого века. В Советском Союзе создавалось ядерное оружие, но учёным не хватало знаний о физике элементарных частиц высоких и сверхвысоких энергий. Тогда сверхмощных ускорителей, вроде Большого адронного коллайдера, который построен в Швейцарии Европейской организацией по ядерным исследованиям (CERN), ещё не существовало, они были изобретены в 1950-х годах. Физику высоких энергий можно было изучать только на естественном материале – исследуя космическое излучение.

Специальным распоряжением Сталина экспедиция физиков-ядерщиков отправилась на Памир, где была основана высокогорная станция. В 1958-м году станцию передислоцировали в Северный Тянь-Шань поближе к Алма-Ате. С тех пор все исследования, которые здесь проводятся, курирует физический институт Российской Академии наук им. П.Н. Лебедева (ФИАН). В советские времена различные научные направления в области физики высокоэнергетических частиц развивались очень активно, а штат сотрудников полигона достигал 120 человек. На станции, в том числе, работали учёные из социалистических стран – Болгарии, Венгрии и Польши.

В 1991 году, после развала СССР, Космостанция вполне могла прекратить своё существование. Однако руководство ФИАН сделало всё возможное, чтобы сохранить уникальный объект на территории теперь уже другой страны. Власти Казахстана отнеслись к проблеме с пониманием – станция и высокогорная территория, на которой она расположена, были переданы в пользование российскому физическому институту. Научный потенциал и тематику исследований удалось сохранить.

– Сегодня штат станции – 50 человек, в основном это граждане РК, – рассказывает директор, кандидат физико-математических наук Валерий Витальевич Жуков. – Хотелось бы подчеркнуть, помимо того что здесь ведутся какие-то экспериментальные работы, мы ещё активно сотрудничаем в образовательной сфере с университетом им. аль-Фараби. 4 года подряд к нам регулярно приезжают студенты из Назарбаев университета. У нас был грант, выделенный Банком развития РК, который базируется в Алматы. На эти средства на протяжении трёх лет около 30 студентов Национального университета, КазНТУ, а также университета им. Абая проходили летнюю практику у нас, осваивали навыки работы на конкретных экспериментальных установках и в счёт гранта получали зарплату. Мы хотим, чтобы это сотрудничество продолжалось.

Три года назад за счёт городского бюджета была отремонтирована дорога до БАО и Космостанции. Теперь из Алматы на высокогорный объект можно добраться примерно за час. Когда едешь сюда на авто, поражает климатический контраст – в городе 30-градусная жара, а на перевале Жусалы-Кезень даже в середине лета лежит снег. Высота здесь 3 340 метров над уровнем моря. Где-то далеко внизу остаётся Большое алматинское озеро и Тянь-Шаньская астрономическая обсерватория. О ней мы подробно писали здесь.

– Здесь базируются несколько организаций, – продолжает рассказ Валерий Жуков. – Помимо нас, сотрудников Тянь-Шаньской высокогорной научной станции Российского института физики им. П. Н. Лебедева, здесь базируются ещё и филиалы казахстанских научных учреждений – Физико-технического института, Института ионосферы, расположены сейсмостанция, лаборатория Института географии и средства наблюдения за климатом и погодой "Казгидромета". В чём заключается наша роль как головной организации? Мы в 2008 году получили статус возмездного землепользования, оформленный на 49 лет. Под научные исследования было выделено 40 гектаров земли. Это очень серьёзный момент.

– У нас есть своё энергохозяйство – с каскада ГЭС мы получаем электроэнергию. Там у нас находится контрольно-распределительное устройство. Проведена воздушная линия на станцию – 6 киловольт. Всем организациям, которые находятся на перевале, мы даём электроэнергию – они наши абоненты. Сейчас станция находится в черте города и относится к Бостандыкскому району Алматы, – сообщил Валерий Жуков.

Что такое широкие атмосферные ливни и как их изучают

В советские времена на Космостанции строилась и развивалась крупная комплексная научная установка по исследованию широких атмосферных ливней от космических лучей. Аналоговое оборудование было громоздким, занимало много места, и под него на перевале, фактически на вечной мерзлоте, было построено множество различных сооружений. Сегодня большая часть этих устройств уже давно разобрана, а помещения пришли в негодность. Но это учёных не смущает – полигон есть полигон.

Главным вдохновителем всей научной работы уже много лет является старший научный сотрудник ФИАН Рашид Ултубаевич Бейсембаев. С небольшим коллективом учёных он построил экспериментальную установку под названием "Горизонт-Т". Она представляет собой сеть специальных датчиков, разбросанных по периметру станции на площади в два квадратных километра. Информация с датчиков поступает по экранированному кабелю на главный сервер, смонтированный в центре площадки в небольшом вагончике. Наблюдения ведутся в основном ночью и только в хорошую погоду. Грозы на такой высоте очень сильные, молнии бьют в любую металлическую конструкцию и мгновенно сжигают всю аппаратуру.

– Космические лучи приходят на Землю из Галактики, – рассказывает Рашид Ултубаевич. – Они приносят частицы самых больших энергий, с которыми вообще когда-либо сталкивались люди, наука. Эти частицы образуются в результате взрывов звёзд, в результате ускорения на нейтронных звёздах и за счёт ускорения в ударных волнах и магнитных полях Галактики. Этот процесс мы сейчас понимаем. Но всё это объясняют космические частицы до энергий 10 в 17 степени эВ. То есть существующие в современной физике теории в полной мере всё это объясняют.

– Но мы регистрируем космические частицы до энергий в тысячу раз больших, и мы не знаем, откуда они берутся. И поведение этих частиц ломает все существующие теории. Простым языком выражаясь, изучение космических лучей напоминает работу географов, если брать науку, или работу разведчиков, если использовать военные термины. В 30 – 50 годах первые элементарные частицы были открыты в космических лучах. Это первая античастица, пи-мезоны, мю-мезоны, K-мезоны. А ускорители частиц основательно заработали в 50-х годах, они уже добирали детали. Американский физик Фримен Дайсон как-то сказал, что открытия делаются в космических лучах, и при этом на такие исследования практически не тратится денег. А большие деньги тратятся на строительство ускорителей, и ускорители уточняют детали этих открытий. На сегодняшний день ускорители достигли энергий 10¹⁷ эВ. Мы сейчас занимаемся энергиями выше 10¹⁷ эВ. На этой станции мы регистрируем частицы 10¹⁸ -10¹⁹ эВ.

– Когда частицы очень больших энергий вторгаются в атмосферу, то происходит грандиозный процесс, – продолжает рассказ Рашид Бейсембаев. – Рождаются от одной частицы тысячи частиц. От них в свою очередь – сотни тысяч и далее по нарастающей. В итоге этого каскадного процесса до уровня наблюдений, где мы находимся на высоте 3 340 метров над уровнем моря, доходят миллиарды частиц, образовавшихся от одной космической частицы. Эти миллиарды частиц падают на землю в форме диска диаметром два километра. Мы называем такое явление широким атмосферным ливнем (ШАЛ).

– Спецификой нашей работы здесь, на станции, является то, что мы регистрируем прохождение частицы с точностью до одной миллиардной доли секунды, – сообщил ученый. – Установки, которые находятся в других местах – в США, Японии, проводят такие же наблюдения, но с точностью гораздо ниже, где-то до одной миллионной доли секунды. Наша станция в своё время переехала сюда с Памира. На Памире она была развернута в 40 годах, и во второй половине 40-х – первой половине 50-х там были созданы методики, которые сейчас используются на установках в США, Японии и в других странах. Мы эту традицию сохраняем – создаём новые методики. И если те методики, которые были созданы в 60 годах, имели точность до миллионных долей секунды, то методики, которые мы создали, имеют точность до миллиардных долей секунды. И поэтому мы существенно продвинулись в понимании процессов, которые происходят в космических лучах.

– Мы ведём разведку. Мы пытаемся выявить самые первые характеристики процесса. Выражаясь образно, сверхзадача этих исследований – посмотреть, что находится за линией горизонта, там, где ещё люди не были. Это свободный поиск, и это напоминает географию где-нибудь в 16-18 веках. Мы знаем Землю, где мы живем. А что за горизонтом? Не случайно мы свою установку назвали “Горизонт-Т”. Что за горизонтом нашего знания? Например, ускоритель, который работает сейчас в CERN в Женеве – Большой адронный коллайдер, показывает, насколько хорошо мы знаем ядерные процессы, электромагнитные процессы, распадные процессы. А мы занимаемся тем, что наука ещё не знает. Есть процессы, которые находятся за пределами существующих теорий. И в той мере, в какой мы получаем достоверные данные, будут развиваться и финансироваться дальнейшие детальные исследования, – заключил Рашид Бейсембаев.

Данные установки "Горизонт-Т":

Широкий атмосферный ливень, вызванный частицей с энергией 10¹⁷ эВ (процесс, описанный существующей теорией).

Широкий атмосферный ливень, вызванный частицей с энергией 10¹⁹ эВ (хорошо заметен двойной всплеск, процесс, не описанный существующей теорией).

По словам учёного, изначально лидером в исследованиях сверхвысоких энергий был Советский Союз. Эту традицию сегодня продолжает Россия. ФИАН всегда активно поддерживал международные связи. Существуют тесные контакты с коллегами-физиками из Японии, Великобритании, США, Италии. Наука, по мнению Рашида Ултубаевича, – это прежде всего личные контакты исследователей. “Антироссийские санкции нам совершенно не мешают дружить и общаться с американцами”, – говорит Бейсембаев.

Также учёный сообщил, что к юбилею Космостанции планируется публикация результатов исследований за последние годы.

– Нашему институту присуща высокая планка требований. Должна быть многократная проверка полученных результатов. Я могу сказать, что основные проверки уже проведены за последние 3 года. Сейчас как раз задача, которая перед нами стоит, – написание статей и выход больших публикаций. Например, в Physical Review Letters. Само собой, российские журналы. Это “Ядерная физика”, “Журнал экспериментальной и теоретической физики” и т. п. Думаю, до конца этого года первые публикации уже появятся.