Сигнал на «Ковре»

Круглые годы в режиме 24/7 земные и космические телескопы ведут наблюдения за нашей Вселенной. От радио- до гамма-лучей, от нейтрино до гравитационных волн – всё это вместе сейчас называют мультимессенджерной астрономией. Одна её задача – уточнить знания об окружающем мире, другая – поставить их под сомнения, обнаружить «новую физику».

Всё, что может противоречить существующим теориям, представляет особый интерес. Например, событие, детектированное
российской установкой «Ковёр-2», которая входит в состав Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН.

Прежде всего филиал ИЯИ известен, разумеется, по исследованиям нейтрино. Международный эксперимент SAGE помог подтвердить явление осцилляции (перехода из одного типа нейтрино в другой). Новый эксперимент BEST по поиску стерильных нейтрино пока не дал однозначных результатов, но тоже может привести к открытиям нобелевского масштаба. Однако галлий-германиевый детектор под толщей скал – не единственное, что есть на Баксане. Первый научный объект там был наземным – это экспериментальный зал «Эллинг» с установкой «Ковёр» из 400 сцинтилляционных счётчиков общей площадью 196 м² и пяти выносных пунктов по 9 м², нужных, чтобы определить направление прихода сигнала. Его ввели в эксплуатацию в 1973 году, в 1998-м «проапгрейдили» до «Ковра-2» (добавился мюонный детектор площадью 175 м² и нейтронный монитор), а сейчас идёт модернизация до «Ковра-3», в ходе которой размеры детектора уже доведены до 410 м². Например, на «Ковре» 23 февраля 1989 года удалось зарегистрировать вспышку с энергией более 100 ТэВ от пульсара в Крабовидной туманности. Одна из новых задач – поиск высокоэнергетических гамма-квантов, которые могут быть связаны с гравитационно-волновыми событиями, зарегистрированными на установках LIGO/Virgo.

Принцип работы «Ковра» состоит в регистрации широких атмосферных ливней. Сама высокоэнергетическая частица до поверхности Земли не долетает, но, взаимодействуя с молекулами атмосферы, вызывает множество каскадных реакций, в ходе которых рождаются нейтроны, мюоны, нейтрино, электромагнитное излучение и т.д., а всё это уже можно детектировать.

Вернёмся к «нарушителю». Представьте камеру наблюдения на оживлённой автостраде. Мимо неё проносятся машины, все они (надеемся) соблюдают скоростные ограничения… и вдруг на записи видно, как по дороге несётся сверхзвуковой самолёт. Такого не может быть? Такова была мысль учёных, когда 9 октября «Ковёр-2» зафиксировал гамма-квант с рекордно высокой энергией в 250 тераэлектронвольт (ТэВ). За час с небольшим до этого китайский массив детекторов LHAASO зарегистрировал гамма-кванты с энергией до 18 ТэВ.

Эти данные противоречат т.н. пределу Грайзена-Зацепина-Кузьмина. Выдающиеся учёные из ИЯИ Георгий Зацепин и Вадим Кузьмин обнаружили его теоретически ещё в середине 1960-х. Вызван он тем, что космическое пространство заполнено фотонами реликтового (образовавшегося в начале Вселенной) излучения, при очень большой энергии частицы будут с ним взаимодействовать и эту энергию терять. В конце XX века предел подтвердился экспериментально. Что же случилось сейчас? Или, точнее, за два миллиарда световых лет в «далёкой-далёкой Галактике»?

«9 октября произошёл экстраординарный по своей яркости, как утверждается, самый сильный по абсолютной величине за всю историю наблюдений гамма-всплеск», – комментирует редактор газеты «ТрВ-Наука», сотрудник ИЯИ РАН Борис Штерн. Причина всплеска – коллапс массивной звезды, в ходе которого она испускает джет (струю плазмы). «Джет светит, как луч прожектора, и если этот луч попадает точно на нас, мы видим мощный гамма-всплеск», – поясняет Штерн. Первым его зафиксировал космический гамма-телескоп «Ферми», затем – LHAASO в Китае и «Ковёр-2» на Баксане. Направление, с которого пришли частицы, то же самое (отклонение 1,8° при разрешении 4,7°, вероятность совпадения 10^-4).

«И китайские 18 ТэВ, и баксанские 250 ТэВ парадоксальны тем, что гамма-кванты такой энергии поглощаются по пути, реагируя с инфракрасным межгалактическим фоном, – продолжает Штерн. – Уже появились статьи, объясняющие феномен новой физикой, например, аксионами. Но я не думаю, что в этом есть такая уж необходимость. Вероятность долететь [с такой энергией] не такая уж ничтожная, не меньше процента». Следующий вопрос –
а нет ли высокоэнергетичных нейтрино, пришедших от того же всплеска? «Это уже предмет для таких детекторов, как антарктический Ice Cube и наш Байкальский, – считает физик. – Но по грубым прикидкам, вероятность зарегистрировать нейтрино от такого всплеска всё ещё мала».

Владимир МИЛОВИДОВ,

фото из архива