Прототип уникального гамма-телескопа разработали в МИФИ

Ученые Института Космофизики НИЯУ МИФИ разработали действующий прототип перспективного гамма-телескопа. Прибор планируют отправить в космос, он способен решать задачи, находящиеся на переднем крае современной астрофизики: от изучения гамма-всплесков до поиска неуловимой темной материи, подчеркнули в пресс-службе вуза.

Новый прибор с особой чувствительностью способен различать элетромагнитное гамма-излучение от прилетающих из космоса заряженных частиц (протонов, электронов и т. д.) По этому показателю российская разработка превосходит американский аналог.

Космическое пространство пронизано потоками гамма-излучения, это такое же электромагнитное излучение, как и обычный, видимый нами свет, но с гораздо большей частотой. В космосе главными его источниками являются остатки сверхновых звезд, пульсары, нейтронные звезды, ядра галактик (включая и наш Млечный путь). Иногда космическое пространство пронизывают мощнейшие гамма-всплески неизвестного происхождения.

Космическое излучение изучает особая отрасль астрономии — гамма-астрономия. Ее главным инструментом являются так называемые гамма-телескопы. Однако фиксировать само гамма-излучение непосредственно эти приборы неспособны. Поэтому они изучают его по косвенным признакам, фиксируя потоки заряженных частиц — электронов и позитронов, которые гамма-излучение порождает в результате столкновения с веществом.

«Гамма-излучение имеет настолько короткую длину волны (существенно меньше межатомных расстояний), что его невозможно сфокусировать в принципе, — объяснила старший преподаватель кафедры экспериментальной ядерной физики и космофизики НИЯУ МИФИ Ирина Архангельская. — Поэтому гамма-телескопы определяют направление падающего гамма-кванта. Для этого он сначала конвертируется в электронно-позитронную пару, а потом частицы».

Прибор устроен следующим образом: гамма-квант попадает на специальный конвертер-трекер, где рождается в слоях вольфрама электрон-позитронная пара. Заряженные частицы оставляют следы (треки), которые регистрируются времяпролетной системой (ВПС), которая и запускает процесс съема данных. По результатам анализа этих треков восстанавливается направление полета первичного гамма-кванта.

Однако на пути к «чистому» сигналу стоит серьезная проблема — как отличить гамма-кванты от заряженных частиц (электронов, протонов)? Для этого в гамма-телескопе предусмотрена особая «антисовпадательная защита», состоящая из пластиковых детекторов. Прилетевший из глубин космоса гамма-квант не взаимодействует с пластиковым детектором, а заряженные частицы космических лучей — протоны, электроны и т. д. — взаимодействуют. Таким образом, если частица взаимодействует одновременно с двумя подсистемами гама-телескопа — и с ВПС, и с антисовпадательной защитой — то она не является гамма-квантом.

Но дело запутывает так называемый «эффект обратного тока». Суть его заключается в том, что после того, как образовавшаяся после конверсии гамма-кванта электронно-позитронная пара регистрируется пластиковыми детекторами времяпролетной системы, она попадает на третью подсистему — калориметры которые измеряют энергию пришедших частиц посредством регистрации образовавшихся от них электромагнитных ливней.

Бывает так, что часть вторичных частиц ливня летит назад и попадают опять на детекторы антисовпадательной защиты; в результате создается ложное «впечатление», что это было не гамма-излучение, а какие-то заряженные частицы. Зарубежный аналог, американский гамма-телескоп «Ферми» оказался довольно уязвимыми перед этой проблемой, и в итоге он не регистрирует часть гамма-излучения, с которым взаимодействуют — он просто не может отличить его от других видов космических лучей.

«Наше главное отличие от конкурентов — мы сделали антисовпадательную защиту времячувствительной, — подчеркнула Ирина Архангельская. — Она имеет временное разрешение в несколько сотен пикосекунд (10⁻¹² секунды)». Если срабатывание антисовпадательной системы происходит с задержкой в несколько наносекунд относительно ВПС (что соответствует времени прохождения частицы, движущейся почти со скоростью света, от верхнего детектора ВПС до калориметра и обратно)— значит, это «паразитный» обратный ток, и значит мы имеем дело не с заряженной частицей, а с гамма-излучением.

«Таким образом, наша антисовпадательная система четко различает во времени сигнал от прямого прохождения частицы и от обратного тока. Фотон высокой энергии напрямую не взаимодействует с антисовпадательной защитой, только образовавшиеся после конверсии электрон и позитрон регистрируются в ВПС. Наша система четко разделяет эти события во времени», — добавила Ирина Архангельская.

Недавно, разрабатываемый в НИЯУ МИФИ действующий прототип детектирующих систем гамма-телескопа, прошел калибровку на ускорительном комплексе «Пахра» в Троицке, что подтвердило оптимальность используемых технологических решений.

Главная сверхзадача телескопа — зарегистрировать темную материю. Однако на пути к этому амбициозному результату прибор будет решать более прикладные, но не менее важные задачи.

«Непосредственная задача — изучать характеристики различных астрофизических и космофизических объектов. Например, параметры высокоэнергетического гамма-излучения пульсаров или как меняются спектры и временные профили солнечного гамма-излучения во время вспышек», — пояснила научный сотрудник. Гамма-телескоп также будет использоваться для исследования загадочных гамма-всплесков, природа которых до сих пор до конца не ясна.

Помимо тяжелого гамма-телескопа (вес прибора будет в итоге будет достигать ~2 тонн), в НИЯУ МИФИ (Лаборатория перспективных детекторов элементарных частиц для космофизических исследований) разрабатываются небольшие спутниковые детекторы для малых космических аппаратов «Наталия» и «Надежда» под руководством старшего научного сотрудника кафедры Экспериментальной ядерной физики и космофизики доцента Андрея Майорова.

Основателями проекта «ГАММА-400» были академик и нобелевский лауреат В. Л. Гинзбург и профессор Л. В. Курносова (ФИАН).